HLEDÁNÍ NETĚSNOSTÍ POMOCÍ HELIOVÝCH HLEDAČŮ

 

Typy netěsností
Netěsnosti se mohou objevit hlavně v defektních spojích (pevných nebo rozebíratelných):

  • svařované nebo pájené spoje, spoje kov-sklo, kov-keramika,
  • póry a praskliny např. v důsledku mechanických nebo tepelných pnutí,
  • přírubové spoje
  • netěsnosti ve spojích objevující se při tepelných cyklech (často vratné),
  • netěsnosti na přívodech medií (chladicí voda, kryogenní chlazení),
  • virtuální netěsnosti (různé „mrtvé“ prostory pod šrouby, ve svarech apod.),
  • permeace v důsledku porosity materiálů (např. přes elastomerová těsnění).

U vakuových aparatur lze očekávat netěsnosti při výrobě a montáži vakuové komory a různých potrubí. Rovněž tak se můžeme setkat s netěsnostmi při výrobě různých tlakových komponent (např. prvků klimatizačních zařízení).

Testovací plyn
K hledání netěsností se často používá testovací plyn. Testovací plyn by měl mít následující vlastnosti:

  • bezpečný z hlediska obsluhy (zdravotně nezávadný)
  • jednoznačná detekce (jednoznačný signál ve spektru zbytkových plynů)
  • chemicky a fyzikálně netečný (inertní)
  • jednoznačná detekce (jednoznačný signál ve spektru zbytkových plynů)
  • malý obsah ve vzduchu
  • snadno odstranitelný čerpáním
  • nekontaminující systém

Helium, nejčastěji používaný plyn, splňuje všechny tyto podmínky
Pro dosažení nejvyšší citlivosti je k detekci testovacího plynu přednostně používán hmotnostní spektrometr.

 

Heliové hledače netěsností (na principu hmotnostního spektrometru)

 

Jako analyzátor zbytkových plynů může být použit kterýkoliv princip, např. kvadrupól, ale nejčastěji používaný a nejspolehlivější je 180° magnetický sektorový analyzátor, nastavený na atomovou hmotnost 4. Schéma takového hmotnostního spektrometru je na obr. 1.

Na obr. 1. je schematicky ukázán princip hmotnostního analyzátoru heliového hledače.

Základní části jsou:

  • iontový zdroj
  • separační systém
  • detektor iontů.

Molekuly zbytkového plynu v iontovém zdroji jsou bombardovány elektrony ze žhavené katody, vzniklé ionty jsou urychleny rozdílem napětí na elektrodách a nasměrovány do magnetického pole. Magnetické pole je vytvářeno permanentním magnetem. Systém clon omezí průchod iontů lehčích a těžších než ionty helia. Prošlé heliové ionty dopadají na iontový kolektor a jejich proud (množství) je měřen. V oblasti iontového zdroje a analyzátoru musí být tlak menší než 10-2 Pa (střední volá dráha 60 cm a více).

 

Obr. 1. Schéma mg. hmotnostního analyzátoru

Historie heliových detektorů

 

Myšlenka použít heliový hledač k detekci netěsností se objevila při realizaci projektu Manhattan v létech 1942/43 (projekt přípravy vysoce obohaceného uranu izotopem U235 pro výrobu atomové bomby). První publikace se objevily v r. 1947.
Z počátku byl čerpací systém heliového detektoru tvořen soustavou rotační olejová vývěva + difuzní vývěva. Pro zvýšení čerpací rychlosti pro obecné plyny (hlavně vodní páru) a pro potlačení vlivu olejových par byl nad difuzní vývěvou instalován lapač olejových par, chlazený obvykle kapalným dusíkem. K testované komoře byl hledač připojen přímo, („direct flow“), přes škrticí ventil (s malou vodivostí, regulovatelný). Hledače tohoto typu (viz schéma na obr. 4.) měly řadu nevýhod: dlouhou dobu náběhu (dáno náběhem difuzní vývěvy), nepohodlnou manipulaci s kapalným dusíkem a omezený vstupní tlak z hlediska ochrany hmotnostního analyzátoru (nebezpečí spálení žhavené katody).

Uspořádání detektoru – „direct flow“ vs „counterflow“ 

Obr. 2. Uspořádání hledače
se systémem „direct flow“

Heliové hledače, původně čerpané difuzní vývěvou se výrazně změnily s čerpáním turbomolekulární vývěvou. Jejich citlivost se zvýšila z hodnot řádu 10-7 Pa m3/s (10-6 mbar l/s) na hodnoty řádu 10-13 Pa m3/s (10-12 mbar l/s) dnes.
Vstup do hledače je přiveden mezi primární vývěvu a turbovývěvu, testovací plyn z testované komory se dostává do hmotnostního spektrometru proti směru čerpání turbomolekulární vývěvy („counter flow“), viz obr. 5. Hmotnostní spektrometr je tak stále čerpán na vysoké vakuum a na vstupu hledače můžeme mít tlak až řádu kPa. V současné době většina hledačů využívá tento princip. K patentování principu „counter flow“ došlo v r. 1967 (W. Becker). V roce 1985 byl hledač s turbomolekulární vývěvou uveden na trh (ASM 110 TURBO CC).

Obr.  3. Uspořádání heliového detektoru „counter flow“ (protiproud) dle patentu W. Beckera (Patent No. US 3 520 176 z r. 1970, priorita 1967)

Výhody současných hledačů s turbomolekulární vývěvou:

  • rychlý náběh,
  • není třeba používat kapalný dusík
  • vysoký vstupní tlak (lze hledat i při „špatném“ vakuu)
  • vysoká citlivost řádu 10-12 mbar l/s

Obr. 4. Schéma současného heliového hledače
s rozšířeným systémem „counter flow“, přípojkou
pro atmosférickou sondu V6 („čichač“) a kalibrační
netěsností připojenou přes ventil V5

 

Základní metody detekce netěsností heliem

 

Vakuový mód.
Při hledání netěsností na vakuovém systému je testovaná komora čerpána a heliový detektor je připojen buď přímo ke komoře, nebo k soustavě vývěv. Testovacím (zkušebním) plynem – heliem ofukujeme místa, kde bychom netěsnost mohli očekávat. V kladném případě helium vnikne do komory a jeho koncentrace je měřena hmotnostním spektrometrem, který je srdcem heliového hledače. Kromě tohoto způsobu je možné testovaný předmět/komoru umístit do obálky, která je naplněna heliem. V tom případě detekujeme celkovou (totální netěsnost). V praxi je často používán způsob, kdy část aparatura je přikryta např. plastovou folií, pod folii přivedeme helium a blížíme se tak k integrálnímu heliovému testu.

„Čichací“ mód.
Testovaný předmět je naplněn heliem, obvykle při mírném přetlaku (několik desetin MPa, tj. několik bar). Předpokládanými netěsnostmi proudí helium do atmosféry, kde je snímáno a detekováno atmosférickou sondou („čichač“, sniffer, Schnüffler). Atmosférická sonda je obvykle tvořena kapilárou, na které vznikne spád tlaku (z atmosférického tlaku na tlak daný primární vývěvou hledače). Helium unikající netěsností se dostává jako zpětný proud do hmotnostního spektrometru hledače a je detekováno. Test atmosférickou sondou je vhodný spíše pro menší objemy vzhledem ke spotřebě helia.

Obr. 5. „Čichací“ a vakuový mód

 

 

Héliové hledače netěsností

Pfeiffer Vacuum : HLT 550, HLT 560, HLT 570
Adixen: ASM 142, ASM 310, ASM 380

Produkty Vakuum servis: Systémy na hledání netěsností pomocí He.
Zakázková výroba respektující specifické požadavky uživatele a aplikace.
Metody : lokální, integrální, bombing

Výhody:

Optimalizace citlivosti a metodiky podle aplikace
Možnost automatizace
Uplatnění dlouholetých zkušeností techniků
Řízení dle požadavků uživatele (PC/PLC/ sběr dat)

Aplikace:

Komponenty pro automobilový průmysl
Komponenty pro elektrotechnický průmysl
Testování vakuových komponent
Testování pouzder, průchodek, zalisovaných částí , atd.

 

Portfolio heliových hledačů v programu PFEIFFER Vacuum

https://www.pfeiffer-vacuum.com/en/products/leak-detection/leak-detectors/

Tyto hledače jsou čerpány speciální turbomolekulární vývěvou, primární vývěva může být klasická rotační olejová nebo bezolejová, suchá. Spektrometr používá pro separaci iontů permanentní magnet a dosahuje vysokou citlivost řádu 10-12 mbar l/s. Rychlý náběh a vysoký komfort díky pokročilému softwaru jsou samozřejmostí.

Toto portfolio zahrnuje:
ASM 310 – přenosný – 21 kg
ASM 340 – víceúčelový – primární vývěva 15 m3/h
ASM 390 – vysokovýkonný – čerpací rychlost pro He: 10 l/s
ASM 1002 – pracovní stanice – pro rychlé cykly ve výrobě
ASI 35 – modulární
ASM 102 S – přenosný, „čichač“
bohaté příslušenství
a jiné

 

Literatura:
K. Jousten (Ed.): Handbook of Vacuum Technology, 2nd Ed., Wiley-VCH, 2016
www.pfeiffer-vacuum.com
Leak detection Compendium, Pfeiffer Vacuum 2015
CERN Accelerator School, Vacuum Technology, 1999
CERN Accelerator School, Vacuum in Accelerators, CERN-2007-003
CERN Accelerator School, Vacuum for Particle Accelerators, 2017
Normy ČSN EN ISO:  http://www.unmz.cz/
Normy ISO, www.iso.org