Come funziona un rilevatore di perdite con spettrometro di massa?
Oggigiorno, la maggior parte dei test delle perdite viene eseguita utilizzando speciali dispositivi di rilevamento delle perdite. Questi sono in grado di rilevare perdite molto più piccole rispetto alle tecniche che non utilizzano apparecchiature speciali. Questi metodi si basano tutti sull'uso di gas specifici per il test. I rilevatori di perdite misurano le differenze tra le proprietà fisiche di questi gas di prova e quelle dei gas utilizzati nelle applicazioni reali o attorno alla configurazione di prova. Una di queste potrebbe essere, ad esempio, la diversa conducibilità termica del gas di prova e dell'aria circostante. Tuttavia, il metodo più diffuso oggi è il rilevamento dell'elio utilizzato come gas di prova.
La funzione della maggior parte dei rilevatori di perdite si basa sul fatto che il test viene condotto con uno speciale gas di prova, cioè con un mezzo diverso da quello utilizzato nel normale funzionamento. La prova di tenuta può, ad esempio, essere eseguita utilizzando l'elio, che viene rilevato utilizzando uno spettrometro di massa, anche se il componente da testare potrebbe essere, ad esempio, un pacemaker cardiaco i cui componenti interni devono essere protetti contro l'ingresso di liquidi corporei durante il normale funzionamento. Questo esempio da solo rende chiaro che è necessario tenere in considerazione le diverse proprietà dei flusso del test e del mezzo di lavoro.
Rilevatori di perdite di alogeni (HLD 4000, D-Tek)
I composti chimici gassosi le cui molecole contengono cloro e/o fluoro, come i refrigeranti R12, R22 e R134a, influenzeranno le emissioni di ioni alcalini da una superficie impregnata con una miscela di KOH e idrossido di ferro (III) e mantenuta da 800 °C a 900 °C (da 1.472 °F a 1.652 °F) da un riscaldatore esterno Pt. Gli ioni rilasciati fluiscono verso il catodo, in cui la corrente ionica viene misurata e quindi amplificata (principio del diodo alogeno). Questo effetto è così grande che le pressioni parziali degli alogeni possono essere misurate fino a 10-7 mbar.
Mentre tali dispositivi venivano utilizzati in passato per il test delle perdite in conformità al metodo del vuoto, oggi, a causa dei problemi associati ai CFC, vengono realizzate più unità sniffer. Il limite di rilevamento ottenibile è di circa 1 · 10-6 mbar · l/s per tutti i dispositivi. L'apparecchiatura, che opera secondo il principio del diodo alogeno, può rilevare anche SF6. Di conseguenza, queste unità sniffer vengono utilizzate per determinare la fuoriuscita di refrigeranti da un'unità di refrigerazione o da un scatola di commutazione di tipo SF6 (riempita con gas di soppressione dell'arco).
Rilevatori di perdite con spettrometri di massa (MSLD)
Il rilevamento di un gas di prova con l'ausilio di spettrometri di massa è di gran lunga il metodo di rilevamento delle perdite più sensibile e quello più utilizzato nel settore. I rilevatori di perdite MS sviluppati a tale scopo rendono possibile la misurazione quantitativa dei tassi di perdita in un intervallo che si estende su molte potenze di dieci (vedere Tipi e tassi di perdita), per cui il limite inferiore è ≈ 10-12 mbar · l/s, in questo modo è possibile rilevare la permeabilità intrinseca ai gas di solidi nel caso in cui l'elio venga utilizzato come gas di prova. In linea di principio è possibile rilevare tutti i gas utilizzando la spettrometria di massa. Tra tutte le opzioni disponibili, l'uso dell' elio come gas tracciante si è dimostrato particolarmente pratico. Il rilevamento dell'elio mediante lo spettrometro di massa è assolutamente (!) inequivocabile. L'elio è chimicamente inerte, non esplosivo, atossico, è presente in aria normale con una concentrazione di soli 5 ppm ed è piuttosto economico. Nei dispositivi MLD disponibili in commercio vengono utilizzati due tipi di spettrometro di massa:
a) lo spettrometro di massa quadrupolare, sebbene questo venga utilizzato meno frequentemente a causa del design più elaborato e complesso (soprattutto a causa dell'alimentazione elettrica del sensore) o
b) lo spettrometro di massa a settori magnetici a 180°, principalmente grazie alla struttura relativamente semplice.
Indipendentemente dal principio di funzionamento impiegato, ogni spettrometro di massa comprende tre sottosistemi fisicamente importanti: la sorgente di ionizzazione, il sistema di separazione e la trappola ionica. Gli ioni devono essere in grado di viaggiare lungo il percorso dalla sorgente di ionizzazione e attraverso il sistema di separazione fino alla trappola ionica, nella massima misura possibile senza collidere con le molecole di gas. Questo percorso è di circa 15 cm per tutti i tipi di spettrometri e quindi richiede un percorso libero medio di almeno 60 cm, corrispondente a una pressione di circa 1 · 10-4 mbar; in altre parole, uno spettrometro di massa funziona solo sotto vuoto. A causa del livello di vuoto minimo di 1 · 10-4 mbar, è necessario un vuoto alto. Nei moderni rilevatori di perdite vengono utilizzate pompe turbomolecolari e pompe primarie adeguate. Ai singoli gruppi di componenti sono associati i sistemi di alimentazione elettrica ed elettronica e il software necessari che, tramite un microprocessore, consentono il massimo grado di automazione possibile della sequenza operativa, comprese tutte le routine di regolazione e calibrazione e la visualizzazione dei valori misurati.
Fig. 5.6 Principio di funzionamento di base dei rilevatori di perdite
Principio di funzionamento di un MSLD
Il funzionamento di base di un rilevatore di perdite e la differenza tra un rilevatore di perdite e uno spettrometro di massa possono essere spiegati utilizzando la Figura 5.6. Questo schema mostra la configurazione più comunemente utilizzata per il rilevamento delle perdite con il metodo di nebulizzazione dell'elio (vedere Rilevamento delle perdite locali) su un componente sottovuoto. Quando l'elio spruzzato viene aspirato nel componente attraverso una perdita, viene pompato all'interno del rilevatore di perdite verso lo scarico, attraverso il quale fuoriesce dal rilevatore. Supponendo che il rilevatore stesso sia privo di perdite, la quantità di gas che fluisce attraverso ciascuna sezione del tubo (in qualsiasi punto desiderato) nell'unità di tempo rimarrà costante, indipendentemente dalla sezione trasversale e dal percorso della tubazione. Quanto segue è valido all'ingresso della luce di pompaggio della pompa per vuoto:
(5.4)
In tutti gli altri punti, si applica la
(5.4a)
tenendo conto delle perdite di linea.
L'equazione si applica a tutti i gas pompati attraverso le tubazioni e quindi anche all'elio.
(5.4b)
In questo caso, la quantità di gas per unità di tempo corrisponde al tasso di perdita richiesto; non è possibile utilizzare la pressione totale, ma solo la frazione relativa all'elio o pressione parziale dell'elio. Questo segnale viene inviato dallo spettrometro di massa quando è impostato per il numero atomico 4 (elio). Il valore Seff è costante per ogni serie di rilevatori di perdite, rendendo in tal modo possibile utilizzare un microprocessore per moltiplicare il segnale in arrivo dallo spettrometro di massa per una costante numerica e per visualizzare direttamente il tasso di perdita.
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