4 phương pháp kiểm tra rò rỉ chân không bằng khí Heli

4 Phương pháp kiểm tra rò rỉ chân không (vacuum leak detection) bằng khí Heli

Đối với một hệ thống bơm hút chân không, dù có hoàn hảo cỡ nào đi nửa, cũng sẽ có một mức độ rò rỉ nhất định. Độ kín (Tightness) là mức độ ít xảy ra rò rỉ chân không. Độ kín là yêu cầu hàng đầu đối với các buồng hút chân không, đường ống khí, hệ thống máy hút chân không vì những lý do phổ biến sau:

• Đảm bảo và duy trì áp suất / chân không
• Vì sự an toàn của sản phẩm
• Đối với các tiêu chuẩn môi trường
• Tăng hiệu quả của quá trình hút chân không

Công nghệ kiểm định rò rỉ chân không gồm 2 khía cạnh chính: phát hiện rò rỉ và đo lường rò rỉ.

Phát hiện rò rỉ (Leak detection)

Các quy trình và ứng dụng chân không khác nhau yêu cầu các yêu cầu về mức độ rò rỉ khác nhau. Những ứng dụng sấy thăng hoa, bình trữ khí gas yêu cầu độ kín của buồng khí rất cao (nghĩa là độ rò rỉ thấp). Những ứng dụng không đòi hỏi áp suất chân không sâu thì không yêu cầu độ kín khí cao. Phương pháp đáng tin cậy duy nhất để phát hiện rò rỉ nhỏ hơn 1×10^-6 mbar*l/s là sử dụng máy dò rò rỉ heli. Đường kính rò rỉ cho 1×10^-12 mbar*l/s (tương đương với 1A) cũng là đường kính của phân tử heli và là tốc độ rò rỉ nhỏ nhất có thể được phát hiện.

Tại sao heli được sử dụng để phát hiện rò rỉ?

Heli được sử dụng làm khí đánh dấu để phát hiện rò rỉ vì một số lý do. Chúng bao gồm thực tế là nó chỉ tạo thành ~ 5 ppm trong không khí nên mức nền rất thấp. Heli cũng có khối lượng tương đối thấp nên nó ‘di động’ và hoàn toàn trơ / không phản ứng. Heli cũng không cháy và thường được bán rộng rãi và chi phí thấp.

PPM là viết tắt của parts per million, nghĩa là một phần triệu. Trong môi trường khí, PPM thường thể hiện nồng độ hay mật độ 1 loại khí trong 1 đơn vị thể tích.

Do đó, công nghệ sử dụng khí Heli một trong những phương pháp phát hiện rò rỉ nhanh chóng và chính xác nhất. Hơn nữa, heli được chọn làm khí đánh dấu vì nó nhẹ, rất nhanh phát hiện và hoàn toàn vô hại.

Phát hiện rò rỉ bằng khí Heli

Việc phát hiện Helium hoạt động theo cách sau: thiết bị được kiểm tra hoặc được điều áp từ bên trong hoặc được tạo áp suất khác từ bên trong mà không có heli. Khí từ bất kỳ chỗ rò rỉ tiềm năng nào được thu thập và bơm vào khối phổ kế để phân tích, và bất kỳ giá trị nào trên dấu vết nền của heli là bằng chứng về sự rò rỉ. Bản thân máy quang phổ hoạt động theo cách sau: bất kỳ phân tử heli nào bị hút vào máy quang phổ sẽ bị ion hóa, và các ion heli này sau đó sẽ “bay” vào bẫy ion nơi dòng điện ion được phân tích và ghi lại. Dựa trên dòng ion hóa, tốc độ rò rỉ sau đó được tính toán.

Mức tham chiếu (hoặc mức nền) cho heli là một phần quan trọng của quá trình. Mức tham chiếu này cung cấp “độ nhiễu nền” cho heli, có thể được coi là nồng độ heli thông thường trong không khí. Phần lớn helium nền này được chứa trong khoảng từ 100 đến 150 micro lớp phân tử khí và là khí vĩnh cửu (chứa trong không khí) có trong máy dò rò rỉ, máy bơm, bộ phận kiểm tra, v.v. Việc loại bỏ helium bề mặt này được gọi là “Khử khí” và bắt đầu khi tất cả khí đã được bơm ra ngoài, khi các phân tử đã được “khử khí” từ bề mặt bên trong của kim loại. Quá trình giải hấp này bắt đầu ở áp suất khoảng 10-1mbar. Việc khử khí như vậy bằng cách giảm áp suất hoặc bằng cách làm nóng bề mặt buồng không phải là bất thường, nhưng ngay cả khi đó cũng không loại bỏ hoàn toàn tất cả khí ở các bề mặt. Ngoài helium bề mặt, helium “dự phòng” cũng được chứa trong các vòng chữ O hoạt động giống như bọt biển, đồng thời cung cấp một dấu hiệu tốt về mức độ sạch của thiết bị. Các thiết bị phát hiện rò rỉ heli hiện đại có thể liên tục đo và tính toán mức bên trong (nền) này và tự động trừ mức này khỏi phép đo tốc độ rò rỉ.

Để có thể tính toán tỷ lệ rò rỉ khí, áp suất đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của rò rỉ khí). Tốc độ rò rỉ là lượng khí chảy qua vật liệu / màng tại một chênh lệch áp suất nhất định mỗi lần. Cơ sở của việc tính toán tỷ lệ rò rỉ là: đường kính của rò rỉ là hình tròn; và kênh rò rỉ tương đương với độ dày của vật liệu mà đường rò rỉ “đi qua”. Tốc độ rò rỉ = lượng khí / thời gian = áp suất x thể tích / thời gian và được đo bằng mbar * l / s hoặc các đơn vị tương đương.

Các phương pháp phát hiện rò rỉ chân không thông dụng

Có một số phương pháp phát hiện rò rỉ. Hầu như phương pháp nào cũng sử dụng thông qua đo mức áp suất chân không để kiểm tra.

Phương pháp phát hiện rò rỉ bằng bóng khí

Đơn giản nhất là kiểm tra bong bóng, được minh họa tốt nhất bằng cách đặt một cái lốp xe đạp bị thủng dưới nước và đánh dấu nơi xuất phát của bong bóng. Hoặc tạo chất lỏng phủ kín bề mặt mối nối và quan sát xem chất lỏng có tạo bọt không . Cả hai đều là những cách đáng tin cậy để phát hiện rò rỉ áp suất thấp. Thử nghiệm bong bóng được sử dụng với mức chân không 1×10^-4 mbar.

Phương pháp phát hiện rò rỉ bằng thử nghiệm đo áp suất sụt giảm

Thử nghiệm phân rã áp suất chính xác là: buồng được điều áp và sự giảm áp suất được quan sát và ghi lại. Thử nghiệm phân rã áp suất được sử dụng lên đến 10-3mbar. Thử nghiệm tăng áp suất hoạt động ngược lại. Áp suất bên trong buồng được tăng lên và khả năng duy trì áp suất được quan sát so với số đọc áp suất đầu vào. Thử nghiệm độ tăng áp suất được sử dụng lên đến 1×10^-6 mbar *l/s. Nói đơn giản là bạn lấy 1 bình khí, bạn hút chân không và khóa van, bạn chờ xem mất bao lâu để bình giảm áp và giảm bao nhiêu. Bình càng nhanh giảm áp, buồng khí càng rò rỉ nhiều.

Tuy nhiên, đó là chế độ “tích phân” heli (chính xác lên đến 10-12mbar * l / s) và kiểm tra “ngửi” helium, (chính xác lên đến 10-7mbar * l / s), là những phát hiện rò rỉ chính xác nhất quy trình ở khoảng chân không cao.

Làm thế nào để máy dò heli hoạt động?

Bốn phương pháp phát hiện rò rỉ bằng khí Heli (HLD)

Có hai phương pháp phát hiện rò rỉ heli (HLD): thử nghiệm tích hợp hoặc thử nghiệm cục bộ. Việc lựa chọn phương pháp nào để sử dụng phụ thuộc vào tình hình, cũng như sản phẩm cuối cùng sẽ được sử dụng để làm gì. Phương pháp “tích hợp” cho biết nếu có rò rỉ (nhưng không phải là bao nhiêu chỗ rò rỉ khác nhau), phương pháp “cục bộ” cho biết nơi có rò rỉ (nhưng khó xác định chính xác tỷ lệ rò rỉ / kích thước rò rỉ). Cả hai phương pháp phát hiện này đều có thể được chia nhỏ thành hai phần nữa: “mẫu dưới áp suất” và “mẫu trong chân không”.

1. Phương pháp thử nghiệm tích hợp (mẫu test rò rỉ được tạo áp suất dương)

Quy trình đầu tiên trong hai quy trình thử nghiệm tích hợp được gọi là phương pháp “tích phân (mẫu dưới áp suất)”, với buồng đang được khảo sát được đặt trong một hộp kín. Buồng được tạo áp suất bằng heli và thùng chứa được kết nối với bộ phát hiện rò rỉ. Trong trường hợp bị rò rỉ, một mẫu khí từ bên trong bình chứa được hút ra và đi qua một máy đo khối phổ, nơi ghi lại bất kỳ sự gia tăng nào (trên số đọc nền) trong mức heli.

2. Phương pháp thử nghiệm tích hợp (mẫu test rò rỉ được tạo áp suất âm)

3. Phương pháp thử nghiệm “ngửi” khí Heli (mẫu test rò rỉ được tạo áp suất dương)

Cặp quy trình thứ hai đôi khi được gọi là thử nghiệm “đánh hơi” và “phun”. Trong phương pháp “máy đánh hơi cục bộ (mẫu dưới áp suất)”, buồng được ép lên bằng heli và một thiết bị đánh hơi đi qua các điểm có thể rò rỉ của buồng (mối hàn, mặt bích, cổng, ống dẫn dụng cụ, v.v.) để hút bất kỳ khí thoát ra nào. Khí “đánh hơi” này được chuyển đến một máy đo khối phổ để ghi lại bất kỳ mức helium tăng cao nào (tức là trên mức mật độ khí heli thông thường).

4. Phương pháp thử nghiệm phun khí Heli (mẫu test rò rỉ được tạo áp suất âm)

Trong phương pháp “phun cục bộ (mẫu trong chân không)”, buồng được bơm chân không và khí heli được phun / hướng tự do vào các điểm có khả năng rò rỉ, với mục đích một số heli nguyên chất này sẽ bị hút vào trong buồng. Khí, từ bên trong buồng, được đưa vào một máy đo phổ để ghi lại bất kỳ mức heli tăng cao nào.

Để tóm tắt và đơn giản hóa sự khác biệt giữa hai loại quy trình kiểm tra rò rỉ bằng khí Heli HLD này: phương pháp tích hợp yêu cầu buồng phải được đặt bên trong bộ chống khí (không phải lúc nào cũng có thể xảy ra), trong khi ở phương pháp thử cục bộ, buồng được điều áp bên trong bằng heli hoặc được hút chân không bên trong bằng heli được phun rộng rãi lên bề mặt của buồng tại các điểm dễ bị rò rỉ. Trong cả hai thử nghiệm, heli đi vào máy dò rò rỉ thông qua các rò rỉ có thể xảy ra và chuyển đến máy đo phổ để phân tích.

Có một số tiêu chuẩn liên quan đến thiết bị phát hiện rò rỉ và phát hiện rò rỉ. Một trong số này, DIN EN 1330-8, chỉ định ‘tốc độ rò rỉ tiêu chuẩn của helium’ để sử dụng khi thử nghiệm rò rỉ được thực hiện với heli ở mức chênh lệch áp suất từ ​​1 bar áp suất khí quyển bên ngoài đến áp suất bên trong <1 mbar (trong đó thực hành là điều kiện chung).

Đơn vị SI của tốc độ rò rỉ là gì?

Đơn vị SI của tốc độ rò rỉ đo được là Pa.m3.s-1. Đơn vị đo áp suất trong hệ SI là Pascal (Pa) trong đó 100 Pa = 1 mbar = 1 hPa. Một đơn vị thường được sử dụng cho tốc độ rò rỉ là mbar.l.s-1.

Kiểm tra tốc độ rò rỉ là gì?

Kiểm tra tốc độ rò rỉ được sử dụng để xác định tốc độ của lượng không khí rò rỉ vào buồng chân không. Tỷ lệ rò rỉ nào có thể chấp nhận được được xác định bởi nhu cầu của chính ứng dụng.

Các tiêu chuẩn về môi trường và an toàn yêu cầu các nhà sản xuất phải đảm bảo độ kín của sản phẩm bằng cách thực hiện kiểm tra rò rỉ như một phần của quy trình sản xuất / phê duyệt chất lượng. Để chỉ ra tốc độ loại bỏ đối với thử nghiệm sử dụng heli trong điều kiện heli tiêu chuẩn, cần phải chuyển đổi các điều kiện thử nghiệm thực tế được sử dụng sang điều kiện tiêu chuẩn của helium; có sẵn các công thức tiêu chuẩn cho các chuyển đổi này.

Khi hệ thống chân không được kết nối với thiết bị phát hiện rò rỉ, các điều kiện tiêu chuẩn của heli phải có trong quá trình phát hiện rò rỉ heli. Sử dụng heli để thực hiện các thử nghiệm rò rỉ đảm bảo kết quả đáng tin cậy và lặp lại có thể được định lượng và giám sát liên tục.

Cần phải đánh giá cao rằng có những thách thức nhất định liên quan đến việc phát hiện các rò rỉ nhỏ bằng cách sử dụng heli. HLD đặc biệt nhạy cảm và helium xung quanh hoặc bị cuốn vào có thể dễ dàng ảnh hưởng đến độ chính xác của việc phát hiện rò rỉ và đo lường rò rỉ. Bản thân máy phát hiện rò rỉ không phải là thiết bị chống rò rỉ, đó là lý do tại sao môi trường sạch heli là điều cần thiết, nếu cần có các kết quả đọc chính xác. Ngoài ra, đối với những rò rỉ rất nhỏ, điều quan trọng là phải kiểm soát các yếu tố bên ngoài vì chúng có thể dễ dàng làm thay đổi kết quả. Cuối cùng, helium xung quanh có thể xâm nhập vào hệ thống qua các cổng xả và thông hơi, cũng như thấm qua các vòng chữ O.

Nguồn: Vacuum Science World
Biên dịch: GoodMotor.net