Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Helowy wykrywacz nieszczelności

AlekZ 21 Lut 2019 09:46 3072 11
  • Helowy wykrywacz nieszczelności
    Bywa, że od realizacji do opisu urządzenia upływa kilka lat. Tak jest i tym razem, bowiem poniżej opisuję urządzenie, które sobie złożyłem około 5 lat temu.

    Użytkownik i konstruktor układów próżniowych staje często przed zagadnieniem sprawdzenia, czy układ próżniowy jest szczelny. Nierzadko się zdarza, że nawet niewielka nieszczelność wyklucza możliwość eksploatacji takiego układu. Przykładowo, jeśli mamy np. lampę elektronową o objętości 1 l (1.000.000 mm3) i ciśnieniu w środku 10^-6 Tr, to ilość gazu w środku jest rzędu 1 Tr*mm3 albo jak kto woli 10^-6 Tr*l (torolitra).
    Jeśli do takiej lampy dostanie się pęcherzyk powietrza atmosferycznego wielkości łebka od szpilki - o objętości 1 mm3 to ilość gazu, która nacieknie odpowiada 760 Tr*mm3, czy jak kto woli 760*10^-6 Tr*l, tj. 7,6*10^-4 Tr*l.
    Ciśnienie w takiej próżniowej lampie elektronowej wzrosłoby do 7,6*10^-4 Tr i nie nadawałaby się ona już do użytku.
    Szybkość nacieku, zwaną natężeniem nieszczelności wyraża się najczęściej w Tr*l/s (totolitrach na sekundę), mTrl/s albo w jednoskach układu SI Pa*m3/s .
    Widzimy więc, że już natężenie nieszczelności rzędu 7*10^-4 Trl/s psuje próżnię w naszej przykładowej lampie w czasie krótszym niż 1 sekunda do poziomu, w którym eksploatacja jej jest już niemożliwa - taki naciek w technice próżni uważamy zatem za bardzo duży. Niekiedy nawet śmiejemy się, że jest to dziura na przysłowiowy palec :D .

    Znanych jest wiele sposobów sprawdzania szczelności w układach próżniowych, zaś ich stosowalność zależna jest od wielkości nacieku i możliwości obserwacji (np. możliwość wytworzenia w testowanej aparaturze nadciśnienia). Przy stosowaniu nadciśnienia może to być metoda baniek mydlanych, gdzie obserwuje się, czy w podejrzanym o nieszczelność miejscu pojawiają się bańki gazu. Nacieki rzędu 10^-4 Trl/s będą jeszcze możliwe do wykrycia ( banieczka wielkości szpilki co kilka sekund), natomiast nieszczelności mniejsze już będą sprawiać problem przy użyciu tej metody. Jest też metoda podciśnieniowa, w której podejrzane miejsce polewa się roztworem barwnika i po zapowietrzeniu sprawdza się, w którym miejscu od wewnątrz pojawiły się barwne kropki. Czułość tej metody jest również niewielka.
    Są też metody wykorzystujące próżniomierz jonizacyjny i alkohol (lub inną ciecz organiczną łatwo parującą), gdzie po polaniu miejsca z nieszczelnością następuje obserwowalna zmiana (polepszenie) próżni wskutek "zaklejania" jej przez ciecz, a następnie parowania cieczy w próżni, rozkładowi par na gorącej katodzie (wzrost ciśnienia - pogorszenie próżni). Czułość tej metody jest rzędu 10^-8 Trl/s.

    Najczulszą metodą jest metoda helowa, która wykorzystuje helowy wykrywacz nieszczelności. Czułość tej metody jest co najmniej rzędu 10^-10 Trl/s, a w nowoczesnych wykrywaczach dochodzi i do 10^-12 Trl/s. W tym ostatnim przypadku odpowiada to naciekowi banieczki helu o objętości 1 mm3 w czasie około 3 lat. Metoda ma kilka wariantów, ale skupię się tylko na jednym z nich. Badany obiekt przyłącza się do helowego wykrywacza nieszczelności i odmuchuje się gazem próbnym- helem. Wewnątrz badanego obiektu wytwarzana jest próżnia, wystarczająca do działania wykrywacza. Jeśli badany obiekt jest nieszczelny (dziurawy) hel przedostaje się do wykrywacza i jego koncentracja wzrasta w gazach resztkowych, stanowiących atmosferę próżniową. Wykrywacz jest czuły na hel, a praktycznie "głuchy" na inne gazy.

    Konstrukcyjnie rzecz ujmując, helowy wykrywacz nieszczelności jest w zasadzie spektrometrem mas, nastrojonym na linię helu. Fabryczne wykrywacze mają szereg udogodnień, które powodują, że ich eksploatacja sprowadza się w zasadzie do zamocowania badanego obiektu na wlocie wykrywacza, naciśnięcia przycisku "start", odmuchania obiektu helem, odczytania wielkości nacieku, naciśnięciu przycisku "stop" i zdjęciu badanego obiektu z wykrywacza. Niestety, cena nowego wykrywacza jest rzędu kilkudziesięciu...stu tysięcy złotych, co wyklucza stosowanie takiego nowego urządzenia w praktyce amatorskiej.

    Z tego względu podjąłem się swego czasu budowy takiego przyrządu własnymi siłami, godząc się na pewne ustępstwa. Przede wszystkim pogodziłem się z utratą czułości, która dla mojego wykrywacza wynosi co najwyżej 5*10^-10 Trl/s. Po drugie, wykorzystałem głowicę fabryczną spektrometru, pochodzącą ze starego radzieckiego wykrywacza PTI-10. Samodzielna budowa takiej głowicy jest wprawdzie możliwa, ale mając ją gotową oszczędziłem sobie tego trudu. Wyrzuciłem jednak z fabrycznej głowicy oryginalny ciężki 8kg magnes, zastępując go lżejszymi magnesami neodymowymi o rozmiarach płytek 10x10 cm. Wyrzuciłem też lampowy wzmacniacz prądu jonowego. Po trzecie wreszcie, pogodziłem się z mniejszą wygodą obsługi, która wymaga od operatora więcej uwagi. Wykrywacz ma małą "przepustowość", co oznacza, że przed każdym sprawdzeniem kolejnego obiektu trzeba zatrzymać pompy. Taka jest jednak cena zastosowania próżniowych zaworów ręcznych (w wykrywaczach fabrycznych stosuje się obecnie elektromagnetyczne).

    Co się tyczy głowicy spektrometru, jest to spektrometr tzw. 180 stopniowy, tzn. wiązka jonów jest w nim odchylana pod takim właśnie kątem. Jest to więc odmiana spektrometru Dempstera, pochodzącego jeszcze z lat 20. XX wieku.
    Helowy wykrywacz nieszczelnościdempst..JPG Download (233.39 kB)
    Jony są wytwarzane w poprzecznym źródle, poprzez bombardowanie cząsteczek gazów elektronami z gorącej katody wolframowej. Jony te, uformowane polem elektrycznym w wiązkę są skręcane w poprzecznym polu magnetycznym, wytworzonym przez magnesy. Tylko jony o stosunku ładunku do masy odpowiadającym jonom helu przelatują przez szczelinę i trafiają do kolektora jonów. Ten mały prąd jonowy jest miarą nieszczelności.

    Układ wykrywacza składa się z olejowej pompy próżni wstępnej, pompy turbomolekularnej, próżniomierza próżni niskiej (Piraniego), próżniomierza próżni wysokiej (Penninga), głowicy spektrometrycznej (spektrometr o kącie odchylania wiązki jonów 180 stopni) i układu elektroniki zawierajacej zasilacze, układ pomiaru prądu jonowego, generatora przestrajanego napięciem (VCO), układu pomiaru próżni wraz z prostą automatyką. Całość została zamocowana na wózku, który chyba był kiedyś stosowany jako barek do napojów.

    Helowy wykrywacz nieszczelnościhwn (2..jpg Download (1.61 MB)
    Układ działa w sposób następujący: Badany obiekt dołącza się do króćca próżniowego na górze wykrywacza. Zakręca się zawór zapowietrzający i uruchamia się pompę olejową. Jednocześnie włącza się elektronikę wykrywacza. Gdy zaświeci się dioda "próżnia wstępna OK" (odpowiada temu wartość próżni około 10^-2 Tr) włącza się pompę turbomolekularną.
    Gdy zaświeci się dioda "próżnia wysoka OK" (poziom próżni 10^-4 Tr) oznacza to gotowość do włączenia katody głowicy spektrometrycznej i zaświeca się lampka "gotowość". Jeśli został wybrany tryb włączenia katody automatyczny "Auto" pojawienie się sygnału gotowości spowoduje samoczynne włączenie się żarzenia katody i zaświecenie się lampki "katoda ON". Można też wybrać tryb ręczny- wówczas o tym, kiedy katoda zostanie włączona decyduje użytkownik, który bierze na siebie ciężar tej odpowiedzialności. Jest to przydatne w niektórych sytuacjach. Jeśli nieszczelność jest bardzo duża, wówczas w ogóle nie można osiągnąć próżni wstępnej. Jeśli jest nieco mniejsza, może się zdarzyć, że próżnia wstępna zostanie osiągnięta, ale próżnia wysoka będzie rzędu 2...3x10^-4 Tr. Wtenczas użytkownik, jeśli wie co robi, może ręcznie włączyć głowicę spektrometryczną i spróbować zlokalizować miejsce nacieku.
    Jeśli katoda się przepali, wówczas nie zapali się lampka "Katoda ON" pomimo osiągnięcia odpowiedniego poziomu próżni lub próby ręcznego włączenia katody. Należy wówczas wymienić katodę na nową.

    Gdy katoda się uruchomi, wówczas zazwyczaj następuje krótka niestabilna praca miernika prądu jonowego, spowodowana desorpcją gazów ze źródła jonów. Towarzyszy temu wychylenie wskazówki miernika oraz ość wysoki dźwięk z głośnika. Trzeba zaczekać na ustabilizowanie się wskazań i dobranie odpowiedniego zakresu czułości (przełącznik czułość). O ile obiekt jest szczelny, z głośnika słychać puknięcia 2-3 razy na sekundę. W przypadku nieszczelności puknięcia te mogą być częstsze (dostaje się do środka powietrze, zawierające małą ilość helu). Następnie zaczyna się odmuchiwanie obiektu helem i poszukiwanie miejsca nacieku. Jego znalezienie powoduje wychylenie wskazówki i zmianę wysokości dźwięku z głośnika, nawet do bardzo wysokiego gwizdu. Akustyczna sygnalizacja jest o tyle wygodna, że użytkownik nie musi obserwować wskazań miernika, a skupić się na lokalizacji miejsca nacieku. Ucho ludzkie dobrze bowiem wykrywa zmianę wysokości dźwięku. Po badaniu można zakręcić zawór łączący wykrywacz z testowanym obiektem i odłączyć ten obiekt. Przed przyłączeniem następnego obiektu należy przynajmniej zatrzymać pompę turbomolekularną.

    Co pewien czas może być konieczna regulacja jednego z napięć zasilania głowicy spektrometrycznej, np. po wymianie katody. Wówczas jako obiekt przyłącza się tzw. helową nieszczelność wzorcową. Jest to kalibrowany naciek (podana jest na nim wielkość nacieku w dacie produkcji i spadek nacieku w % na rok). Wówczas pokrętłem "strojenie" można wyregulować wykrywacz na maksimum wskazań (szczyt piku lub najwyższy ton).
    Helowy wykrywacz nieszczelnościhwn.jpg Download (1.5 MB)
    Strojenie sprowadza się tak naprawdę do ustawienia odpowiedniej trajektorii jonów helu. Można też wyregulować sobie wychylenie wskazówki tak, aby odpowiadało ono wartości nacieku z helowej nieszczelności wzorcowej.


    Schematy urządzenia, sporządzone w formie papierowej znajdują się w pliku "zip", stanowiącym załącznik do tego opisu. Układ jest zbudowany w technologii analogowej. Film, pochodzący jeszcze z 2014 r., gdy zaczynałem budować ten przyrząd można obejrzeć tutaj:



    Link

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    AlekZ
    Specjalista - lampy próżniowe
    Offline 
    Specjalizuje się w: technika próżniowa
    AlekZ napisał 1426 postów o ocenie 1101, pomógł 62 razy. Mieszka w mieście Marki. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2
    rafels
    Poziom 23  
    Imponująca konstrukcja i wiedza autora.

    Osobiście spotkałem się z podobnym pomiarem szczelności układów chłodniczych w przemyśle. Jednak działanie systemu było odwrotne od opisywanej konstrukcji. Hel pod ciśnieniem wtłaczany był do środka badanego układu. Podczas pomiaru badany układ ładowany był do szczelnej komory próżniowej. Ze względu na konieczność dotrzymania taktu całej linii produkcyjnej, cały proces stawiał duże wymagania co do wydajności pomp próżniowych. Cały zestaw składał się z jednej ogromne pompy rotacyjnej o dużym przepływie a za nią pracowało równolegle kilka pomp olejowo-łopatkowych. Po osiągnięciu odpowiedniego poziomu próżni w komorze otwierany był zawór do bocznego obwodu z pompą turbomolekularną i spektormetrem.
    Ostatecznie cały wynik pomiaru był przeskalowany w wartości wycieku helu w g/rok. Był też wyliczany ekwiwalent dla wycieku czynnika chłodniczego.
  • #3
    AlekZ
    Specjalista - lampy próżniowe
    Metod badania szczelności jest wiele i występują w różnych wariantach. Dotyczy to także metody helowej. W tym, który opisałeś, jak rozumiem, badany obiekt "nabity" helem wjeżdżał do próżni i określało się całkowitą utratę helu przez wszystkie nieszczelności badanego obiektu.

    Zwracam jeszcze uwagę, że u mnie obiekt badany jest podłączany od strony wysokiej próżni, tj. nad pompą turbomolekularną. Badanie rozpoczyna się po osiągnięciu w badanym obiekcie próżni 10^-4 Tr. Taka sama próżnia, z tej samej pompy panuje w komorze spektrometru.

    Są też jednak wykrywacze, gdzie obiekt badany jest podłączany między pompę turbomolekularną a pompę próżni wstępnej. W obiekcie badanym mamy próżnię rzędu 10^-1...10^-2 Tr uzyskiwaną z pompy próżni wstępnej. W komorze spektrometru jest próżnia rzędu 10^-4 Tr. W chwili, gdy hel przedostanie się do obiektu jego koncentracja wzrasta oczywiście w obszarze próżni wstępnej. Ponieważ jednak pompa turbomolekularna pompuje dość wolno hel, przeto jego koncentracja rośnie też w komorze spektrometru (strumień wsteczny helu w kierunku głowicy spektrometru). Ten sposób, stawiający mniejsze wymagania na wielkość próżni w badanym obiekcie sprawdza się m.in. w przypadku sprawdzania dużych zbiorników, bo pozwala skrócić czas ich pompowania. Bywa także, że zbiornik jest pompowany dodatkową pompą, która nie stanowi wyposażenia wykrywacza i przez zawór dozujący tylko część gazu kieruje się do tego wykrywacza. Wiąże się to jednak ze spadkiem czułości. Problemem bywa też długi czas reakcji, tym dłuższy im dłuższa jest odległość między spektrometrem a nieszczelnością. Sprawdzanie nieszczelności wymaga więc wtedy wiele uwagi, cierpliwości i doświadczenia.

    Bywa stosowany też wariant nadciśnieniowy, gdzie do badanego obiektu wprowadza się hel i "obwąchuje" specjalnym "nosem" podejrzane o nieszczelność miejsca. Nos wciąga gaz (pompowany jest zazwyczaj osobną pompą) i tylko część gazu kierowana jest przez zawór dozujący do wykrywacza.

    W czasach, gdy czynnikiem chłodniczym był freon, często stosowano w tych urządzeniach tzw. chlorowcowy wykrywacz nieszczelności lub lampę halogenową. W pierwszym przypadku sonda była specjalną diodą, pracującą praktycznie w ciśnieniu atmosferycznym lub jemu bliskim. Gaz wciągany był przez "nos". Pojawienie się w nim freonu powodował powstanie jonów (w diodzie stosowana była specjalna katoda z ceramiki zawierajćej sód lub potas, grzejnik stanowiła platyna). Prąd jonowy wynosił nawet kilkadziesiąt mikroamperów. Czułość tego wykrywacza nie dorównywała jednak metodzie helowej i wymagała stosowania szkodliwego dla atmosfery freonu. Druga metoda polegała na tym, że gaz badany kierowany był na blaszkę miedzianą, grzaną płomieniem palnika. Pojawienie się freonu powodowało powstanie halogenków (chlorek, fluorek) miedzi i barwienie płomienia na zielono. Także i ta prymitywna metoda nie jest już dziś stosowana.
  • #4
    zbigniewsk
    Poziom 15  
    Dobry wieczór.
    Bardzo ciekawy artykuł. Gratuluje wiedzy i zaparcia aby skonstruować takie urządzenie. W moim byłym zakładzie pracy też mieliśmy helowe wykrywacze nieszczelności. Pierwszym nabytkiem w latach 70 był urządzenie firmy Edwards (modelu już nie pamiętam). Później pojawił się model HWN-1 produkcji polskiej (instytut z ul. Długiej w Warszawie) a następne to już były helowe produkcji francuskiej firmy Alcatel model ASM-52 i te były eksploatowane do czasu mojego odejścia na emeryturę. Urządzenie te były wykorzystywane do badania szczelności produkowanych złącz szkło-metal. Próg przełączenie niska/wysoka próżnia był na poziomie 10^-3 Tr a badanie gdy próżnia osiągnęła poziom 10^-5 Tr wtedy można było załączyć katodę . Wszystkie modele miały wymrażarkę napełnianą ciekłym azotem (około 2 litrów).
    Na początku ciekły był sprowadzany ale po uruchomieniu kolumny Lindego mieliśmy ciekły własnej produkcji. Problemem były też butle z helem z tego powodu że zawory były jakie były a hel ma tendencję znalezienia najmniejszego źródła nieszczelności. Do helowych mieliśmy dorobione płyty które umożliwiały badanie do ok 70 izolatorów. Najbardziej uciążliwymi izolatorami do badań były podstawki do rezonatorów kwarcowych typu BC i AA z uwagi na ich kształt Pozostaje to w pamięci szczególnie iż zalecenia producentów były takie że wszystkie układy próżniowe musiały być myte spirytusem cz.d.a 99,6 %, częstotliwości mycia już nie pamiętam ale pamiętam iż mycie mieliśmy opanowane do perfekcji wystarczało 100 ml przy normie 1 l . Raj na ziemi
  • #5
    AlekZ
    Specjalista - lampy próżniowe
    To by sugerowało, że Przedmówca pracował w koszalińskim Kazelu. Mi się jeszcze zachowała część dokumentacji do HWN-1 i przez pewien czas pracowałem z niektórymi jego konstruktorami. Oto bowiem karierę zawodową zaczynałem na...Długiej :D . Oryginalną pompę dyfuzyjną PDO100/P, chłodzoną powietrzem od HWN mam tutaj jeszcze i sporadycznie jej używam.
  • #6
    zbigniewsk
    Poziom 15  
    Trafiony, zatopiony. Kolega AlekZ. pamięta chyba dr. Marksa, który uczestniczył w konstruowaniu HWN-1. A model Edwardsa to był 8A. Pozostał mi po tych zabawach jeszcze Apiezon (smarowidło do uszczelniania złącz wysokiej próżni)
  • #7
    AlekZ
    Specjalista - lampy próżniowe
    Trafiony, zatopiony :idea: . Tak, doc. dr Jerzego Marksa pamiętam bardzo dobrze.
    HWN-1 był wzorowany na jakimś modelu Alcatela. Na większą skalę był produkowany w ZAP w Bolesławcu Śląskim.
  • #8
    rafels
    Poziom 23  
    AlekZ napisał:
    Metod badania szczelności jest wiele i występują w różnych wariantach. Dotyczy to także metody helowej. W tym, który opisałeś, jak rozumiem, badany obiekt "nabity" helem wjeżdżał do próżni i określało się całkowitą utratę helu przez wszystkie nieszczelności badanego obiektu.


    Dokładnie. Opisane urządzenie pomiarowe badało całkowity wyciek badanego układu. Okresowa kalibracja przeprowadzana była za pomocą wspomnianych przez Ciebie "wycieków testowych".

    W późniejszych etapach produkcji, już po napełnieniu układu czynnikiem chłodniczym, wykorzystywane były spektrometry przenośne, tak zwane "sniffery" https://products.inficon.com/en-us/nav-produc...t/detail/multigas-leak-detector-ecotec-e3000/
  • #9
    willyvmm
    Poziom 27  
    Witam.
    Bardzo interesujące. Mam kilka pytań teoretycznych odnośnie metody.

    Czy hel stosuje się ze względu na wielkość molekuł?
    Czy można układ zestroic np na Azot? I wykrywać nieszczelności bez możliwości lokalizacji.
    Albo np czy można zastosować argon?

    Pozdrawiam.
  • #10
    żarówka rtęciowa
    Poziom 36  
    Witam

    willyvmm napisał:
    Czy hel stosuje się ze względu na wielkość molekuł?


    Najprawdopodobniej tak. Myślę że można by i wodór zastosować, ale on jest gazem palnym.
  • #11
    AlekZ
    Specjalista - lampy próżniowe
    Hel stosuje się ze względu na wielkość molekuł; jest to gaz bardzo przenikliwy przez nieszczelności. Wodór stosuje się rzadko ze względu na jego wybuchowość.
    Koncentracja helu w powietrzu jest mała - jego ciśnienie parcjalne (cząstkowe) to około 4x10^-3 Tr. Argonu jest 0,93%, czyli ciśnienie parcjalne tego gazu to jakieś 0,7 Tr. Ma poza tym duże molekuły, więc czułość metody z tych dwóch powodów byłaby dużo gorsza.
    Azotu w powietrzu jest bardzo dużo, bo 78%. Jego ciśnienie parcjalne w powietrzu to prawie 600 Tr. Z tego względu nie mógłby on być stosowany jako gaz próbny dla ustalenia miejsca lokalizacji nieszczelności (odmuchiwanie azotem z butli), bowiem zmiany sygnału byłyby małe. Można by było tylko stwierdzić, że nieszczelność jest.
    Teoretycznie można spektrometr nastroić na linię azotu. Spektrometry 180- stopniowe od helowych wykrywaczy nieszczelności mają jednak małą rozdzielczość i azot (masa 28) byłby być może rejestrowany z tlenem (masa 32). Nie byłoby to jednak dyskwalifikujące, bo i tlenu w powietrzu jest sporo.

    W aparaturach próżniowych, w których znajdują się spektrometry (na przykład kwadrupol) stosuje się czasami sprawdzenie szczelności poprzez sprawdzenie, czy w sygnale nie występują linie tlenu i azotu. Ich wystąpienie świadczy bowiem o nieszczelności.
  • #12
    LiutenetMaria
    Poziom 28  
    Wodór jest w palny w koncentracji coś powyżej 6-8%. Można używać 5%H/95%N, wtedy jest teoretycznie bezpiecznie.
    Hel oprócz tego że jest "mały", nie jest też toksyczny, ani trujący,za to jest drogi i strasznie śmiesznie się po nim mówi.

    Ja spotkałem się z dokładnie taką metoda pomiarową jak wspominał kolega rafels, tylko wynik skalowany w mbar*l/s.
    Zbudowane na sprzęcie Inficon LDS3000 plus wbudowana turbo pompa, pompy Ruvac, pompy dodatkowe turbo Pfeiffer.
    Duża pompa rootsa, pod nią dwie łopatkowe, reszta osprżetu Edwards i inne z techniki próżniowej.