Контроль герметичности с помощью масс-спектрометрического течеискателя

Контроль герметичности с помощью масс-спектрометрического течеискателя

2271
0

Этот наиболее точный метод пользуется большой популярностью. Он основан на регистрации концентрации пробного вещества, прошедшего через стенку сосуда посредством использования масс-спектрометра, налаженного под конкретную рабочую среду.

Отечественная промышленность выпускает серии масс-спектрометрических течеискателей с измерителями концентрации, настроенными на работу с гелием. Их основной элемент — масс-спектрометрический анализатор, создающий магнитное отклонение пучка ионов.

Схема обычного гелиевого течеискателя показана внутри пунктирного контура на рисунке 7-4.

Схема гелиевого течеискателя

За его пределы вынесены элементы, которые не входят в заводскую комплектацию течеискателя, но их использование удобно для работ с течеискателем.

Пароструйный и механический насосы создают и поддерживают давление внутри камеры течеискателя 2,5·10-3-2,5·10-2 Па или 2·10-5-2·10-4 мм рт ст. Для регулирования напряжения, подаваемого на нагреватель пароструйного насоса, используется автотрансформатор.

С помощью заливной азотной ловушки предотвращается попадание паров рабочей жидкости от насосов внутрь масс-спектрометрической камеры. чем защищаются ее полости от загрязнений газами и конденсирующимися парами, приходящими из проверяемого объема.

Дросселирующим клапаном 6 (Ду-32) объект испытания сообщается с вакуумной системой работающего течеискателя.

Клапаном 5 (Ду-25) отделяется масс-спектрометрическая камера от вакуумной системы. Им пользуются при необходимости замены катода или чистки камеры.

shema-prisoedinenija-techeiskateli-pri-ispytanijah-vakuumnyh-kamerТрехходовыми клапанами 1, 2, 3, 4 (Ду-8) управляют форвакуумной и байпасной (предварительной) откачкой из вакуумной системы с помощью механического насоса или для напуска атмосферы внутрь вакуумной системы.Клапаны сконструированы так, что два клапанных канала, расположенные на рисунке в горизонтальной плоскости, все время сообщаются между собой, создавая одну сквозную магистраль. Третий же канал может закрываться или открываться, коммутируя определенные участки вакуумной системы к линии низковакуумной откачки.

Последовательность включения течеискателя:

  1. Проверяется закрытие всех клапанов.
  2. Включается общее питание течеискателя.
  3. Включается механический насос.
  4. Включается термопарный вакуумметр.
  5. Выжидается время достижения требуемого разрежения внутри форвакуумной линии и открывается клапан «Пароструйный насос».
  6. Включается нагреватель диффузионного насоса с выставлением необходимого напряжения для его питания.
  7. Включается усилитель постоянного тока, контролируется время выхода на рабочий режим у диффузионного насоса и прогрева электроизмерительного блока.
  8. Через 30÷35 минут от начала включения течеискателя начинают заливать жидкий азот внутрь ловушки.
  9. По величине давления внутри форвакуумной линии оценивают начало высоковакуумной откачки, когда диффузионный насос полностью сформировал струи.
  10. После 45÷50 минут от момента включения диффузионного насоса производят закрытие клапана «Пароструйный насос». Этого времени вполне достаточно для его разогрева.
  11. Сразу открывают клапан «Камера».
  12. Выполняют предварительную откачку из масс-спектрометрической камеры, но делают это быстро. Длительная откачка механическим насосом создает сильное замасливание полостей масс- спектрометрической камеры.
  13. При достижении давления 5-8 Па или ~5·10-2 мм рт ст закрывают клапан «Камера» и открывают клапан «Пароструйный насос».
  14. Открывают клапан, расположенный между диффузионным насосом и масс-спектрометрической камерой.
  15. В случае последующего выключения течеискателя оставляют «под вакуумом»масс-спектрометрическую камеру. Это исключает необходимость дальнейшей предварительной откачки камеры механическим насосом, уменьшает загрязнения ее парами масел от механического насоса. Для облегчения работы маховик клапана 5, расположенный между диффузионным насосом и камерой, размещают выше уровня верхней крышки течеискателя.
  16. Включают магниторазрядный вакуумметр в работу.
  17. При достижении уровня рабочего давления внутри камеры включают накал катода ионизатора.

Последовательность выключения течеискателя проводится в обратной очередности.

Внимание! Ловушка должна быть полностью разморожена при откачке диффузионным насосом. Для этого до размораживания клапан 5 должен быть закрыт, клапан «Пароструйный насос» закрывают после остывания нижней части насоса до уровня температуры 60÷80° С.

Сразу после отключения механического насоса следует открыть клапан «Атмосфера» для доступа атмосферного воздуха в форвакуумную линию, затем закрыть клапан.

До начала испытаний следующей партии приборов требуется провести градуировку течеискателя при рабочем давлении внутри камеры с помощью гелиевой диффузионной течи «Гелит», которая встроена в течеискатель.

Последовательность операций при градуировке:

  1. закрывают клапан 6;
  2. выключают питание катода ионного источника;
  3. переключают шкалу электроразрядного магнитного вакуумметра на предел 2500 мкА и отключают его;
  4. закрытием клапана 5 разобщают масс-спектрометрическую камеру от высоковакуумной откачки;
  5. открыв клапаны «Камера» и «Гелиевая течь» откачивают гелиевую течь до уровня давления 2,5-5 Па или ~2·10-2-3·10-2 мм рт ст;
  6. закрывают клапан «Камера»;
  7. открывают клапан 5;
  8. включают в работу магниторазрядный вакуумметр и начинают откачивать камеру до уровня давления 2,5·10-3-5·10-3 Па, контролируя по шкале магниторазрядного вакуумметра показания 50-80 мкА;
  9. включают питание катода ионного источника и определяют установившееся показание ат на стрелочном приборе выносного пульта ВПУ;
  10. перекрывают клапан «Гелиевая течь» и наблюдают уменьшение течи по отсчетам течеискателя;
  11. высчитывают чувствительность течеискателя по отношению к потоку гелия. Для этого используют формулу 7.1.

Sq=Q/(аТФ)(7.1).

Sq — это чувствительность течеискателя по отношению к потоку гелия, а Q — величина его потока для калиброванной течи.

Чем ниже численное выражение Sq, тем лучше: меньшему потоку гелия, проникающему внутрь корпуса прибора, соответствует больший его отсчет.

Последовательность операций градуировки течеискателей без течи:

  1. к клапану 8 прибора подключают калиброванную гелиевую течь;
  2. к клапану 7 подсоединяют вспомогательный насос;
  3. включают течеискатель в рабочий режим;
  4. через клапаны 7 и 8 вспомогательным насосом производят откачку гелиевой течи до величины давления 2,5?5 Па или ~2·10-2-3·10-2 мм рт ст;
  5. отключают питание катода масс-спектрометрической камеры;
  6. закрывают клапан 7;
  7. открывают дросселирующий клапан 6;
  8. выключают вспомогательный насос;
  9. ожидают стабилизацию давления в камере и фиксируют показания течеискателя ат;
  10. закрывают клапан 8, ожидают стабилизацию показаний течеискателя, фиксируют фон аф;
  11. закрывают клапан 6;
  12. рассчитывают чувствительность.

Хотя градуировка устройства происходит по величине потока гелия, на самом деле масс-спектрометрический анализатор выявляет концентрацию гелия в камере. При этом соотношение установившейся концентрации гелия внутри камеры и потока гелия, проникающего в течеискатель, определяется формулой

PГ=QГSГ.

Здесь PГ — величина давления гелия в камере, QГ — значение потока гелия внутрь течеискателя, SГ — скорость откачки камеры по гелию.

Регулировать чувствительность течеискателя можно изменением скорости действия диффузионного насоса по потоку гелия, зависящим от мощности подогрева насоса.

Снижением мощности подогрева уменьшают быстроту действия по гелию. При этом по воздуху быстрота действия практически постоянна в широком диапазоне. Это позволяет увеличить чувствительность течеискателя повышением давления гелия в камере при неизменном потоке и постоянстве общего давления внутри камеры.

При изменениях мощности, поступающей на нагреватель пароструйного насоса, необходимо производить повторную градуировку течеискателя.

Гелиевый течеискатель позволяет проводить контроль герметичности и поиск течей. Для большей достоверности его показаний и повышения точности измерения градуировку прибора производят при том значении рабочего давления в камере, которое будет создаваться при испытаниях.

Рабочие границы течеискателя определяются величиной минимального потока гелия, который может регистрироваться прибором. Его определяют по выражению 7.2:

Q = 2ΔaФ∙SQ,

где ΔаФ — наибольшая амплитуда флюктуации фона, а 2ΔаФ — значение отсчета течеискателя, принимаемого за достоверный результат.

Можно расширить рабочие границы течеискателя (снизить Qмин) увеличением его чувствительности (уменьшением численного выражения SQ) путем занижения мощности подогрева для пароструйного насоса. Но следует понимать, что вместе с увеличением чувствительности возрастает флюктуация фона. К примеру, при увеличении чувствительности снижением напряжения на нагревателе ниже 180 вольт происходит полная ее компенсация возрастанием фона флюктуации у течеискателя.

Масс-спектрометрический течеискатель способен проводить контроль герметичности и поиски течей методами:

  1. обдува и гелиевых чехлов — камер;
  2. щупа;
  3. барокамеры;
  4. вакуумных присосок;
  5. накопления.

Контроль герметичности электрического вводаПервый способ используется для проверок, снабженных собственными устройствами откачки из элементов вакуумных систем. Для этого на внешние поверхности сосудов подается пробный газ, а во внутренних полостях создается разрежение и контролируется проникновение в них пробного газа.

Способами барокамеры, щупа и вакуумных присосок испытывают изделия, в которых невозможно или сложно создать разрежение. В такие конструкции закачивают пробный газ до избыточного давления и фиксируют его проникновение на наружные поверхности. Способ вакуумных присосок дополнительно позволяет испытать изделия без замкнутой оболочки: такие, как листы металла. Их можно проверить на сплошность.

Способ накопления считается разновидностью любого метода, кроме способа щупа.

Большей чувствительностью обладают способы:

  • обдува;
  • гелиевых чехлов.

Первый метод используют больше для поиска течей, а второй — для контроля герметичности емкостей. Для их проведения вакуумная система течеискателя подсоединяется к вакуумной системе проверяемой установки. Причем течеискатель рекомендуется подсоединять в формвакуумную линию испытываемой установки по схеме, показанной на рисунке 7-5.

Это подключение создает максимальную чувствительность при испытаниях. Для подключения вакуумной системы течеискателя к проверяемой установке лучше пользоваться гибким металлическим или, в крайнем случае, резиновым вакуумным шлангом.

Последовательность проведения испытаний:

  • Создание рабочего давления в испытуемой установке с одновременным откачиванием среды из магистралей трубопровода, подключающего вакуумную установку к течеискателю вплоть до дросселирующего клапана 6;
  • Открытие клапана 6 и создание рабочего давления в масс- спектрометрической камере. Если клапан 6 открыт полностью, а показания прибора вакуумметра меньше 350 мкА, то закрывают клапан З, перенаправляя поток газа, откачиваемый высоковакуумным насосом, через вакуумную систему течеискателя. Таким способом создается максимальная чувствительность испытаний с пределом точности равным чувствительности течеискателя;
  • Включение питание катода масс-спектрометрической камеры и производство обдува гелием проверяемой установки. Работу проводят от наиболее удаленной и высокорасположенной точки от низковакуумного насоса. Затем постепенно приближаются к низковакуумному насосу. двигаясь по магистралям вакуумной системы с ориентацией в пространстве проверяемых участков оболочки емкостей вакуумной системы.

Для обдува используют обдуватель из комплекта течеискателя, подключаемый к баллону с гелием. Иногда удобнее использовать не баллон, а медицинскую кислородную подушку, заполненную гелием. Если нет обдувателя, то допускается применять иглу от медицинского шприца, либо тонкую, сплющенную на конце металлическую трубку.

При испытаниях разветвленных вакуумных систем с большой протяженностью трубопроводов методом обдува, требуется учитывать временны́е характеристики высоковакуумного насоса и течеискателя.

После размещения струи гелия у течи увеличивается его содержание в рабочей камере проверяемой установки. Для определения общего количества гелия внутри высоковакуумной части испытываемой установки вычисляется разность потоков гелия, поступающих через течь и удаляемых в процессе откачки.

Характеристика изменения концентрации для пробного газа внутри течеискателя при выполнении обдува испытуемой установки аналогична изменениям концентрации в галогенном течеискателе при проверках способом щупа, представленным на рисунке 7-3.

Для создания эффективного поиска течи требуется поддерживать скорость перемещения обдувателя на уровне 1 см/с для большинства реальных условий испытаний. Уменьшение скорости перемещения обдувателя значительно удлиняет время испытаний, а увеличение — может привести к пропуску маленьких течей.

Метод щупа позволяет искать течи. Для этого к течеискателю посредством вакуумного шланга присоединяют щуп, через который пропускают поток газа в масс-спектрометрическую камеру для поддержания рабочего давления. Испытания проводят по технологии, подготовленной для работ с галогенным течеискателем.

Отличия метода барокамеры состоят в помещении в барокамеру изделия, заполненного пробным газом. Затем создается разрежение и выполняется подключение течеискателя. Этот метод позволяет численно выразить общее истечение пробного газа из проверяемого изделия.

Метод вакуумных присосок широко распространен для контроля герметичности различных элементов вакуумных систем до их постановки в схему и в процессе изготовления.

Им проводят испытания с обязательным использованием вспомогательного низковакуумного насоса, подсоединяемого через клапан 7. От клапана 8 гибким шлангом к течеискателю присоединяют вакуумную присоску, у которой может быть различная конструкция, зависящая от конфигурации проверяемых поверхностей. Для тестирования плоскостей обычно используется металлический лист требуемого контура с наклеенными по его краям резиновыми уплотнителями достаточной высоты. Широко распространены присоски в форме металлического стакана, показанные на рисунке 7-6.

Последовательность испытаний:

  1. проверяемое изделие слегка прижимают к уплотнителям присоски;
  2. откачивают внутренние полости присоски вспомогательным насосом. Атмосферное давление плотно удерживает испытуемое изделие на присоске, обеспечивая надежное уплотнение;
  3. плавно приоткрывают дросселирующий клапан течеискателя;
  4. закрывают клапан, соединяющий присоску со вспомогательным насосом;
  5. выполняют испытания.

В соответствии с целью испытаний — поиском течи или контролем герметичности проводят обдувку проверяемого изделие гелием либо создают вокруг него гелиевую камеру.

Для надежности прилегания поверхностей проверяемого изделия к уплотнителю присоски смазывают вакуумным маслом. Но использовать его надо аккуратно: масло может перекрыть течь. Лучше смачивать только торцевую поверхность на уплотнителе.

Метод накопления

Для его использования к клапану 7 подключают вспомогательный насос с характеристиками высокой быстроты действия по воздуху и низким быстродействием по гелию. Обычно выбирают цеолитовый насос.

Дросселирующий клапан 6 у течеискателя заменяют. В схему включают клапан с малыми временами открытия и закрытия, например клапан конструкции с эксцентриковым приводом. Его можно устанавливать последовательно с клапаном в течеискателе. Проверяемое изделие подключают непосредственно к клапану 8 или используют короткий трубопровод. В разрез созданной коммуникации между проверяемым устройством, вспомогательным насосом и течеискателем монтируют средства измерения давления.

Метод накопления часто совмещают с выполнением способа гелиевых камер.

Последовательность испытаний:

  1. При крупносерийных проверках испытуемое изделие размещают в герметичной камере, а для условий лабораторной практики или единичных производств вокруг подключенного к течеискателю испытуемого изделия создают чехол. Для этого используют полиэтилен или другой аналогичный материал. Края чехла за пределами проверяемой поверхности фиксируют липкой полихлорвиниловой лентой.
  2. Включают течеискатель (допускается выполнять заблаговременно).
  3. При полностью закрытом эксцентриковом клапане проводят откачивание из испытуемого изделия до давления, не превышающего рабочую величину в масс-спектрометрической камере.
  4. Приоткрывают эксцентриковый клапан.
  5. Фиксируют показания фонового отсчета течеискателя.
  6. После замера закрывают эксцентриковый клапан.
  7. Внутрь камеры (или чехла) под небольшим избыточным давлением вводят пробный газ — гелий с фиксацией времени подачи.
  8. После окончания времени накопления приоткрывают эксцентриковый клапан и фиксируют наибольший отсчет течеискателя.
  9. По разности полученных показаний прибора анализируют величину натекания гелия в изделие.

Градуировку метода производят перед испытаниями. Для этого устанавливают на изделие калиброванную гелиевую течь.

Последовательность операций для градуировки аналогична той, которая проводится при испытаниях. Фоновым отсчетом здесь тоже считается установившееся показание течеискателя при полностью открытом эксцентриковом клапане.

Применение способа накопления может в десятки и даже сотни раз увеличить чувствительность испытаний, выполняемых с помощью масс- спектрометрического течеискателя способами обдува и гелиевой камеры.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ