Na poniższych podstronach przedstawiamy krótkie artykuły opisujące wybrane zagadnienia z techniki próżni i badania szczelności.
Badanie szczelności – wstęp
NIESZCZELNOŚĆ jest to miejsce w ściance ograniczającej zbiornik lub przewód/rurociąg, przez które przepływa w sposób nie pożądany gaz na skutek różnicy ciśnień lub różnicy koncentracji po obu stronach ściany.
Jednostki przepływu (przecieku)
Technika próżniowa [Pa m3/s, mbar.l/s]
Technika przepływów [Nm3/s, sccm, sccs]
Klimatyzacja [g/a]
Objaśnienie jednostki natężenia przecieku [mbar.l/s]
Nieszczelność 1 mbar.l/s jest to wyciek (naciek do) gazu ze zbiornika o objętości 1 l powodujący spadek (wzrost) ciśnienia o 1 mbar w ciągu 1 s
lub
Nieszczelność 1 mbar.l/s oznacza, że występuje przepływ 1 l gazu na sekundę (1 l/s) przez otwór w przegrodzie rozdzielającej dwa obszary, między którymi występuje różnica ciśnień o wartości 1 mbar.
Badanie szczelności przy użyciu helu jako gazu znacznikowego jest jedną z najczulszych metod znajdowania nieszczelności. Hel jako lekki gaz szlachetny ma bardzo dobre właściwości penetracyjne (przeciskania się przez szczeliny). Dodatkową zaletą jest fakt, że gaz ten jest obojętny chemicznie (nie wchodzi w żadne reakcje chemiczne) oraz nie jest szkodliwy dla organizmów żywych i środowiska. Jako bardzo lekki szybko ulatnia się i nie wypiera tlenu z pomieszczeń, co zwiększa bezpieczeństwo obsługi. Ponadto zawartość helu w atmosferze jest bardzo mała i wynosi ok. 5 ppm. (daje to niskie naturalne tło helowe podczas pomiarów), zaś sama metoda helowa badania szczelności jest metodą nieinwazyjną.
Badaniu na szczelność mogą podlegać wszelkiego rodzaju obiekty, instalacje i detale, które mają formę zamkniętą lub można je do takiej formy doprowadzić np. przez zamontowanie odpowiednich zaślepień.
Badanie często polega na wypełnieniu instalacji lub detalu helem lub jego mieszaniną (np. z powietrzem lub azotem) do nadciśnienia i obwąchiwaniem specjalną sondą (sonda wąchająca, sonda szpiegująca sniffing probe) podłączoną do detektora helu. Niewielkie gabarytowo obiekty napełnione helem można umieścić w komorze próżniowej i rejestrować wzrost stężenia helu wewnątrz komory spowodowany ewentualnym wyciekiem. Inna sposób polega na odpompowaniu badanego obiektu do próżni (podciśnienia) i owiewanie podejrzanych miejsc helem z zewnątrz. Podłączony do obiektu detektor helu zarejestruje wzrost stężenia gazu znacznikowego wewnątrz w przypadku owiewania helem miejsca z nieszczelnością.
Helowe wykrywacze nieszczelności pozwalają badać przecieki helu aż do wartości rzędu 10-12 mbar.l/s.
Helowy wykrywacz nieszczelności jest to urządzenie pomiarowe przeznaczone do detekcji stężenia helu. Poniższy schemat przedstawia podstawowe podzespoły składowe: spektrometr monopolowy wraz z próżniową pompą turbomolekularną, próżniowa pompa próżni wstępnej, blok zaworowy, helowy naciek wzorcowy oraz układ sterowania.
Monopolowy spektrometr masowy działa warunkach w wysokiej próżni wytwarzanej przez pompę turbomolekularną. Z reguły spektrometr jest przestrajalny w niewielkim zakresie i umożliwia pomiar gazów o zbliżonej masie cząsteczkowej 4He, 3He i H2. Testowany obiekt lub komorę próżniową podłączamy do przyłącza (1). Pompa próżniowa (5) wytwarza próżnię na wlocie do wykrywacza na przyłączu (1). W zależności od wielkości próżni, mierzonej przez głowice próżniowe P1, P2, strumień gazu jest kierowany przez zawory do przyłączy pompy turbomolekularnej (7), a dalej do spektrometru (8). Zarejestrowany sygnał jest wzmacniany i rejestrowany przez system komputerowy wbudowany w urządzenie. Helowy naciek wzorcowy (3) pozwala na kalibrację urządzenia.
(1) Przyłącze testowe
(2) Głowica próżniowa do pomiaru próżni na przyłączu
(3) Naciek wzorcowy
(4) Zawór zapowietrzający
(5) Pompa próżni wstępnej
(6) Głowica próżniowa do pomiaru próżni wstępnej
(7) Pompa turbomolekularna
(8) Monopolowy spektrometr masowy
Schemat spektrometru monopolowego stosowanego w helowych wykrywaczach nieszczelności.
Techniki badania szczelności wg normy PN EN 1779:2002P
Do badanego detalu lub instalacji podłączamy wykrywacz helowy (detektor helu) i wytwarzamy wewnątrz próżnię przy pomocy pompy próżniowej zainstalowanej w wykrywaczu lub – dla obiektów o dużej objętości > 100 l – osobny zestaw pomp próżniowych. Po wytworzeniu próżni obiekt owiewamy helem, który po przedostaniu się przez ew. nieszczelność jest rejestrowany przez detektor. Metoda ta pozwala na lokalizację miejsca nieszczelności. Pomiar rejestrowany przez wykrywacz helowy jest względny.
Praktyczny zakres stosowania 10-2 – 10-9 mbar.l/s
Lokalizacja miejsca nieszczelności tak
Pomiar względny
Badany detal lub większą instalację napełniamy do nadciśnienia helem lub jego mieszaniną z powietrzem lub czystym azotem. Następnie obwodzimy sondą wąchającą miejsca, w których istnieje możliwość wystąpienia nieszczelności. Sonda zasysa powietrze wraz z wydostającym się z nieszczelności helem, które przepływa do wykrywacza helowego. Metoda ta pozwala na lokalizację miejsca nieszczelności. Pomiar rejestrowany przez wykrywacz helowy jest względny, ponieważ cały wydostający się strumień helu nie jest zasysany przez sondę wąchającą.
Praktyczny zakres stosowania 10-2 – 10-6 mbar.l/s
Lokalizacja miejsca nieszczelności tak
Pomiar względny
Badany detal umieszczamy w zamkniętej przestrzeni np.: komorze, szczelnym worku, duże obiekty okrywamy folią. Następnie napełniamy do nadciśnienia helem lub jego mieszaniną z powietrzem lub azotem. Sondą wąchającą zasysamy powietrze z zbierającym się wewnątrz osłony wyciekającym helem. Gazy przepływają z sondy do wykrywacza helowego. Metoda pozwala na określenie sumarycznego wycieku helu z całego testowanego obiektu, ale nie lokalizuje miejsca wycieku.
Praktyczny zakres stosowania 10-2 ÷ 10-6 mbar.l/s
Lokalizacja miejsca nieszczelności nie
Pomiar względny, bezwzględny dla małych obiektów i szczelnych osłon
Testowany detal umieszczamy w stalowej komorze próżniowej. Wnętrze detalu napełniamy helem lub jego mieszaniną do zadanego ciśnienia a komorę odpompowujemy do próżni. Odpompowanie komory dla małych objętości może być realizowane przez pompę próżniową wykrywacza helowego jednak z reguły stosuje się osobny próżniowy system pompowy zależny od objętości komory testowej i wymaganego czasu testu. Wyciekający z testowanego detalu hel przepływa do detektora helu. Metoda nie lokalizuje miejsca wycieku ale pozwala na dokładne określenie jego sumarycznej wielkości po wyskalowaniu toru pomiarowego wzorcowym naciekiem helowym.
Praktyczny zakres stosowania 10-2 – 10-9 mbar.l/s
Lokalizacja miejsca nieszczelności nie
Pomiar bezwzględny
Technika stosowana do testowania na szczelność podzespołów wypełnionych na trwale różnymi gazami. Procedura postępowania podobna jak dla techniki próżniowej globalnej (patrz wyżej). Podzespół z gazem umieszczamy w komorze próżniowej odpompowywanej przez pompy próżniowe. Jako detektor gazów często stosuje się system detekcji oparty o kwadrupolowy spektrometr masowy, który można ustawić na rejestracją dowolnego gazu lub mieszanin gazowych. W tej technice mierzy się całkowity naciek bez lokalizacji miejsca przecieku. Dysponując naciekami wzorcowymi dla konkretnych gazów możemy wyskalować tor pomiarowy i wykonywać pomiary bezwzględne.
Technika przeznaczona do testowania na szczelność drobnych detali na trwałe zamkniętych, w przypadku których nie ma możliwości napełnienia helem lub odpompowania wnętrza przez przyłącze. Detal umieszczany jest w komorze, którą wypełniamy helem do zadanego ciśnienia. Przez nieszczelności hel wnika do wnętrza detalu. Po zadanym ustalonym doświadczalnie czasie „nasączania helem”, detal dokładnie przewietrza się w celu pozbycia się cząstek helu zaabsorbowanych na powierzchni. Następnie detal umieszcza się w komorze próżniowej podłączonej do detektora helu. Po odpompowaniu komory, hel, wydostając się z wnętrza testowanego detalu, przepływa do detektora, gdzie jest rejestrowany.
Praktyczny zakres stosowania 10-2 – 10-6 mbar.l/s
Lokalizacja miejsca nieszczelności nie
Pomiar względny
Technika badania szczelności stosowana głównie dla dużych obiektów z płaskimi powierzchniami. Do powierzchni z potencjalną nieszczelnością przykłada się przyssawkę próżniową, która jest podłączona do wykrywacza helowego, podczas gdy przestrzeń po drugiej stronie badanej powierzchni wypełniana helem (dla przestrzeni zamkniętych) lub opryskiwana helem z pistoletu. Hel przenikając przez nieszczelność w powierzchni dostaje się do wnętrza przystawki i przepływa dalej do detektora helu.
Badanie szczelności metodą helową próżniową integralną stosuje się w produkcji seryjnej, gdy istnieje wymóg, by szybko przetestować duże ilości detali.
Urządzenie testujące (tester helowy) składa się z jednej lub dwóch próżniowych komór testujących (stosowane są również rozwiązania wielokomorowe), próżniowego stanowiska pompowego, systemu dozowania helu, toru pomiarowego z detektorem helu oraz sterowania. Komory próżniowe dobiera się kształtem do rozmiarów i formy geometrycznej testowanych podzespołów oraz wyposaża się w specjalistyczne zaciski/złącza próżniowo-gazowe oraz inne oprzyrządowanie np.: do pozycjonowania, znakowania, identyfikacji, itp. W zależności od wymaganej wydajności i konstrukcji systemu w komorze testowej umieszcza się jeden lub więcej testowanych detali.
1. Komora testowa
2. Załadunek
3. Detektor helu
4. Przyłącze
Pompy do odpompowania:
5. komory próżniowej
6. testowanego detalu
7. helu z testowanego detalu
8. detektora helu
9. komory, wspomagająca w czasie detekcji
10. Pomiar próżni
Przebieg testu pomiarowego:
Umieszczenie ręczne lub automatyczne jednego lub więcej testowanych detali w komorze próżniowej.
Podłączenie/zaciśnięcie przyłączy próżniowo-gazowych na końcówkach testowanego obiektu.
Zamknięcie komory i odpompowanie do próżni.
Odpompowanie wnętrza testowanego detalu do próżni.
Pomiar tła helowego w komorze próżniowej.
Napełnienie testowanego detalu helem do ciśnienia testu.
Pomiar wycieku helu z detalu do komory próżniowej.
Stężenie helu w komorze poniżej zadanego progu – detal dobry, powyżej – detal zły.
Spuszczenie/odpompowanie helu z wnętrza detalu – system odzysku helu.
Zapowietrzenie detalu i komory próżniowej.
Rozłączenie zacisków i rozładunek.
Urządzenia testujące metodą próżniową helową integralną z reguły testują w zakresie szczelności 10-3 mbar.l/s – 10-7 mbar.l/s przy ciśnieniach helu lub jego mieszaniny z azotem z zakresu 1 ÷ 50 bar. W szczególnych wypadkach konstruowane są urządzenia pozwalające pracować przy ciśnieniach kilkuset bar i więcej.