Come funzionano i rilevatori di perdite a flusso diretto e in controcorrente?
Fig. 5.12 Rilevatore di perdite a flusso totale e in controcorrente
La Figura 5.12 mostra lo schema del vuoto per i due tipi di rilevatori di perdite. In entrambi i casi, lo spettrometro di massa viene evacuato dal sistema di pompaggio per vuoto alto costituito da una pompa turbomolecolare e da una pompa rotativa a palette. Lo schema a sinistra mostra un rilevatore di perdite a flusso diretto. Il gas proveniente dalla luce di ingresso viene immesso nello spettrometro attraverso una trappola fredda. Questo equivale, in realtà a una pompa criogenica in cui tutti i vapori e gli altri contaminanti condensano. (La trappola fredda in passato ha fornito anche un'efficace protezione dai vapori d'olio delle pompe a diffusione utilizzate a quel tempo). Il sistema della pompa per vuoto primaria ausiliaria serve a pre-evacuare i componenti da testare o la linea di collegamento tra il rilevatore di perdite e il sistema da testare. Una volta raggiunta una pressione di ingresso relativamente bassa (tempo di pompaggio!), la valvola tra il sistema di pompaggio ausiliario e la trappola fredda viene aperta per la misurazione. La Seff utilizzata nell'equazione 5.4b è la velocità di pompaggio della pompa turbomolecolare nella posizione della sorgente di ioni:
(5.5a)
Nel caso dei rilevatori di perdite a flusso diretto, è possibile aumentare la sensibilità riducendo la velocità di pompaggio, ad esempio installando una valvola a farfalla tra la pompa turbomolecolare e la trappola fredda. Questo sistema viene utilizzato anche per ottenere la massima sensibilità.
Esempio
La pressione parziale minima rilevabile per l'elio è:
pmin,He = 1 · 10-12 mbar. La velocità di pompaggio dell'elio sarebbe
SHe = 10 l/s. Quindi il tasso di perdita più basso rilevabile è
Qmin = 1 · 10-12 mbar · 10 l/s = 1 · 10-11 mbar · l/S. Se la velocità di pompaggio viene ora ridotta a 1/s, l'unità è l/s, quindi 1 l/s, per cui si ottiene un tasso di perdita rilevabile minimo di 1 · 10-12 mbar · l/s. Occorre tuttavia tenere presente che, con l'aumento della sensibilità, la costante di tempo per ottenere una pressione stabile del gas di prova nel campione di prova sarà di conseguenza più grande (vedere di seguito).
Nella Figura 5.12 lo schema a destra mostra lo schema del rilevatore di perdite in controcorrente. Lo spettrometro di massa, il sistema per vuoto alto e anche il sistema della pompa primaria ausiliaria corrispondono esattamente alla configurazione del sistema a flusso diretto. L'alimentazione del gas da esaminare è tuttavia collegata tra la pompa primaria e la pompa turbomolecolare. L'elio che raggiunge questo punto di diramazione dopo l'apertura della valvola provoca un aumento della pressione dell'elio stesso nella pompa turbomolecolare e nello spettrometro di massa. La velocità di pompaggio Seff inserita nell'equazione 5.4b è la velocità di pompaggio della pompa rotativa a palette nel punto di diramazione. La pressione parziale dell'elio qui stabilita, ridotta dal fattore di compressione dell'elio per la pompa turbomolecolare, viene misurata nello spettrometro di massa. La velocità della pompa turbomolecolare nei rilevatori di perdite in controcorrente viene regolata in modo che anche la compressione della pompa rimanga costante. L'equazione 5.5b deriva dall'equazione 5.5a:
(5.5b)
Seff = velocità di pompaggio effettiva della pompa rotativa a palette nel punto di diramazione
K = fattore di compressione dell'elio nella pompa turbomolecolare
Il rilevatore di perdite in controcorrente rappresenta un particolare vantaggio per le unità per vuoto automatiche, poiché è presente una pressione chiaramente misurabile alla quale la valvola può essere aperta, vale a dire la pressione di vuoto basso nella pompa turbomolecolare. Poiché la pompa turbomolecolare ha una capacità di compressione molto elevata per masse elevate, le molecole pesanti rispetto al gas di prova leggero, l'elio (M = 4), in pratica, non possono raggiungere lo spettrometro di massa. La pompa turbomolecolare fornisce quindi una protezione ideale per lo spettrometro di massa ed elimina quindi la necessità di una trappola fredda a LN2, il che rappresenta certamente il massimo vantaggio per l'utente. Storicamente, i rilevatori di perdite in controcorrente sono stati sviluppati in un secondo momento. Ciò è dovuto in parte a una stabilità inadeguata della velocità di pompaggio, che per un lungo periodo non era sufficiente con le pompe rotative a palette qui utilizzate. Per entrambi i tipi di rilevatore di perdite, le unità fisse utilizzano una pompa ausiliaria integrata per facilitare l'evacuazione della luce di test. Con i rilevatori di perdite portatili, potrebbe essere necessario prevedere una pompa esterna separata, per motivi di peso.
Funzionamento a flusso parziale
Fig. 5.13 Principio del flusso parziale
Se le dimensioni del serbatoio per vuoto o la perdita rendono impossibile evacuare il campione di prova alla pressione di ingresso necessaria o se questa operazione richiede troppo tempo, è necessario utilizzare pompe supplementari. In questo caso, il rilevatore di perdite di elio viene utilizzato in conformità al cosiddetto concetto di "flusso parziale". Ciò significa che di solito la parte più grande del gas estratto dall'oggetto da testare verrà rimossa da un sistema pompa aggiuntivo di dimensioni idonee, in modo che solo una parte del flusso di gas raggiunga il rilevatore di perdite di elio (vedere la Fig. 5.13). La suddivisione del flusso di gas avviene in base alla velocità di pompaggio prevalente nel punto di diramazione. Si applica quindi quanto segue:
(5.6)
dove g γ (invece di g!) è il rapporto di flusso parziale, cioè la frazione della corrente di perdita complessiva visualizzata sul rilevatore. Dove il rapporto di flusso parziale non è noto, g γ (invece di g!) può essere determinato con una perdita di riferimento collegata al serbatoio del vuoto:
(5.7)
Collegamento ai sistemi per vuoto
Il concetto di flusso parziale viene generalmente utilizzato per collegare un rilevatore di perdite di elio a sistemi per vuoto con set di pompe per vuoto multistadio. Quando si prende in considerazione la posizione migliore per effettuare il collegamento, si deve tenere presente che si tratta solitamente di unità portatili di piccole dimensioni che hanno solo una bassa velocità di pompaggio in corrispondenza della flangia di collegamento (spesso inferiore a 1 l/s). Ciò rende molto più importante stimare, in base al rapporto di flusso parziale previsto, rispetto a una pompa a diffusione con una velocità di pompaggio di 12.000 l/s, ad esempio, i tassi di perdita che possono essere rilevati. Nei sistemi con vuoto alto e pompe Roots, l'opzione più sicura è collegare il rilevatore di perdite tra la pompa rotativa a palette e la pompa Roots o tra la pompa Roots e la pompa per vuoto alto. Se la pressione è superiore alla pressione di ingresso consentita per il rilevatore di perdite, il rilevatore di perdite deve essere collegato tramite una valvola dosatrice (perdita variabile). Naturalmente, è necessario disporre di una flangia di collegamento adatta. Si consiglia inoltre di installare una valvola, a questo punto fin dall'inizio, in modo che, quando necessario, il rilevatore di perdite possa essere accoppiato rapidamente (con il sistema in funzione) e il rilevamento delle perdite possa iniziare subito dopo l'apertura della valvola. Per evitare che quest'ultima venga aperta inavvertitamente, durante il normale funzionamento del sistema per vuoto, la valvola deve essere sigillata con una flangia cieca.
Un secondo metodo per l'accoppiamento a sistemi più grandi, ad esempio quelli utilizzati per rimuovere l'aria dalle turbine delle centrali elettriche, è l'accoppiamento allo scarico. Un'unità sniffer viene inserita nel sistema nel punto in cui scarica nell'atmosfera. Essa rileva l'aumento della concentrazione di elio nello scarico. Senza un accoppiamento a tenuta allo scarico, tuttavia, il limite di rilevamento per questa applicazione sarà limitato a 5 ppm, il contenuto naturale di elio nell'aria. Molti rilevatori di perdite dispongono di funzioni di azzeramento, per cui è possibile sottrarre il fondo naturale e quindi individuare perdite più basse. Nelle centrali elettriche è sufficiente inserire la punta della sonda con un angolo di circa 45° dalla parte superiore nella linea di scarico (generalmente rivolta verso l'alto) della pompa (anello d'acqua).
Costanti di tempo
La costante di tempo per un sistema a vuoto è data da
(5.8)
τ = costante di tempo
V = volume del contenitore
Seff = velocità di pompaggio effettiva in corrispondenza dell'oggetto da testare
Fig. 5.14 Risposte del segnale e velocità di pompaggio
La Figura 5.14 mostra l'andamento del segnale dopo la nebulizzazione di una perdita in un campione di prova collegato a un rilevatore di perdite, per tre diverse configurazioni:
- Centro: il campione con volume di V viene collegato direttamente al rilevatore di perdite LD (velocità di pompaggio effettiva S).
- Sinistra: in aggiunta a 1, al campione di prova è collegata una pompa a flusso parziale con la stessa velocità di pompaggio effettiva, Sl = S.
- Destra: come in 1, ma S viene ridotta a 0,5 S.
I segnali possono essere interpretati come segue:
1: dopo un "periodo morto" (o "ritardo") fino a un livello del segnale percepibile, il segnale, proporzionale alla pressione parziale dell'elio, aumenterà al suo valore intero di pHe = Q/Seff in accordo all'equazione 5.9:
(5.9)
Il periodo necessario per raggiungere il 95% del valore finale viene di norma definito tempo di risposta.
2: con l'installazione della pompa a flusso parziale, la costante di tempo e l'ampiezza del segnale saranno ridotte di un fattore di 2; ciò significa un aumento più rapido, ma un segnale che è solo la metà più grande. Una costante di tempo piccola significa cambi rapidi e quindi una visualizzazione rapida e, di conseguenza, tempi di rilevamento delle perdite brevi.
3: la riduzione della velocità di pompaggio a 0,5 S aumenta sia la costante di tempo sia l'ampiezza del segnale di un fattore 2. Un valore elevato per t aumenta quindi il tempo necessario in modo appropriato. L'elevata sensibilità, ottenuta riducendo la velocità di pompaggio, è sempre associata a tempi più elevati e, pertanto, non è sempre un vantaggio.
Una stima delle costanti di tempo complessive per più volumi collegati uno all'altro e alle pompe associate, può essere eseguita in un'approssimazione iniziale sommando le singole costanti di tempo.
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Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
Simboli del vuoto
Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio
Glossario delle unità
Panoramica delle unità di misura utilizzate nella tecnologia del vuoto e dell'importanza dei simboli, nonché degli equivalenti moderni delle unità storiche
Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
