Design heliových detektorů netěsností a systému pro detekci netěsností pomocí helia
Efekt rychlosti čerpání helia
Zjistit netěsnost rychle je jednou z nejdůležitějších podmínek při používání heliového hledače netěsností nebo stanice pro detekci netěsností. Tento požadavek je určen těmito znaky:
- Doba odezvy
- Doba zjištění
- Doba zmizení (vyčištění)
1. Doba odezvy
Doba odezvy je definována jako čas, který je potřebný pro změření 63 % píku signálu helia. Tato doba odezvy je založená na exponenciálním chování (Obr. 1). Zde je zachycen průběh signálu netěsnosti 10-7 std. cc/s.
Aby bylo možné měřit signál ve vakuových aplikacích, doba odezvy by měla být co nejkratší. Obecně, větší testovaný objem povede k pomalejší době odezvy. Také testovaný objem, který je připojen k detektoru dlouhou úzkou trubicí, negativně ovlivní dobu odezvy, vzhledem k tomu, že helium musí projít trubicí k detektoru.
Pro daný objem musí být účinná čerpací rychlost detektoru netěsnosti nebo stanice pro detekci netěsností vždy co největší. Aby bylo možné optimalizovat dobu cyklu, například v produkci, mohou být použity pomocné pumpy, tak aby bylo dosaženo kýžených cílů. Tyto pumpy musí být odpovídající velikosti a musí být správně zapojeny tak, aby uspořádání vedlo k maximální efektivitě.
2. Doba zjištění
Doba zjištění je doba, která je potřebná k tomu, aby bylo možné vidět zvýšení signálu nad úroveň šumu poté, co helium prostoupilo netěsností. Doba objevení je pouze primární ukazatel netěsnosti a neukazuje na možnou velikost netěsnosti. Liší se od doby odezvy, která se určuje z hodnoty píku.
První „objevení se“ netěsnosti je často dostačující pro zastavení testovacího cyklu dříve, než se testovací komora nasytí heliem a tím se předejde zdlouhavému čistění. V některých aplikacích postačuje zjištění, že je přítomna netěsnost bez ohledu na její velikost a plnou dobu odezvy. Výjimečné odečítací schopnosti Agilent VS série heliových detektorů netěsností značně zlepšuje dobu zjištění.
3. Doba zmizení
Doba zmizení nebo taky doba čištění je čas, který je potřebný k tomu, aby se heliový detektor obnovil a jeho citlivost se vrátila do požadovaných mezí poté, co byl vystaven netěsnosti. Zde dochází k největším rozdílům v čase mezi výkonnými a nevýkonnými uspořádáními ve stanicích pro detekci netěsností. Vysoké čerpací rychlosti vedou k značně kratším dobám čištění.
Výběr vhodného přípojení
Většinou je potřebné instalovat připojení testované části nebo komory k detektoru netěsností. Nastavení správné velikosti takového připojení hraje podstatnou roli ve výkonu systému pro detekci netěsností, protože 1) připojení přidává další objem do celkového uspořádání systému a 2) také omezuje čerpací schopnost systému pro detekci netěsností. Výběr nevhodného připojení může změnit možnosti systému pro detekci netěsností. Například trubice dlouhá 4 stopy a průměrem 0,40 palců má vodivost helia 0,27 l/s v molekulovém toku (Obr 2). To znamená, že ani ten nejvýkonější systém nedosáhne lepší čerpací rychlosti než 0,27 l/s. Použijeme-li tuto hodnotu ve výpočtech pro dobu odezvy, dobu zjištění a dobu čištění, zjistíme snadno vliv omezené vodivosti.
Proces odčerpání
Aby bylo možné testovat výrobek na netěsnost, je nutné nejdřív evakuovat daný výrobek nebo komoru, ve které bude testován. Požadovaná úroveň vakua závisí na požadavcích pro přípustnou velikost netěsnosti. (Viz část o pozadí helia níže.)
Aby bylo dosaženo odpovídající úrovně v co možná nejkratší době, je nezbytné vybrat čerpací systém s vhodnými vlastnostmi, čerpací rychlostí a základním tlaku, stejně tak jako je nutné zvážit správné uspořádání potrubí, vodivostní omezení a velikosti přidaných objemů. Při nákupu heliového detektoru netěsností, který je vybaven vlastní primární pumpou byste měli věnovat zvláštní pozornost velikosti pumpy, abyste se vyhnuli dokupování dalších pomocných pump, potrubí a řídicích zařízení.
Podmínky vhodného pozadí helia
Jak ukazuje obrázek 4, helium je ve vzduchu obsaženo v koncentraci 5 ppm. Přestože se jedná o velmi nízkou úroveň, pokud hledáme netěsnosti velikosti 10-9 std. cc/s, pak je pozadí helia ve vzduchu problém.
Vhodná evakuace a technika sprejování v kombinaci s adekvátním odvětráním jsou klíčové pro udržení dobrého provozu systému pro detekci netěsností. Správné plnění, odvětrání a opatrné uvolnění helia po testu jsou kritické při čichací metodě testování netěsností. Agilent VS série detektorů netěsností je vybavena unikátní vlastností potlačování pozadí helia, které umožňuje kompenzaci až >2 dekád pozadí helia (plovoucí nula).
Souběžný provoz
Je-li objem testovaného výrobku velký nebo doba cyklu příliš krátká, může být třeba doplnit pomocný čerpací systém, který bude pracovat souběžně s heliovým detektorem netěsnosti (viz Obr. 5). V tomto případě je pomocná pumpa nebo pomocný systém používán pouze pro snížení vstupního tlaku.
Výpočet doby odezvy, doby zjištění a doby čištění je nutné zvážit jak pro efektivní čerpací rychlost helia danou detektorem netěsností a efektivní čerpací rychlost helia danou pomocnou pumpou v komoře. Celkový tok helia (Qt), který prochází komorou a netěsností se rozdělí na tok (Qld) směrem k detektoru a tok (Qaux) směrem k pomocné pumpě. To vede ke snížení zjištěné velikosti netěsnosti na detektoru a je nutné provést kompenzaci.
Spotřeba helia
Na základě udržitelné citlivosti při používání metody detekce netěsností pomocí helia je možné testované výrobky naplnit heliem/plynnou směsí tak, aby došlo ke snížení spotřeby helia. To je možné aplikovat především pro výrobky s velkým objemem nebo testování během produkce. Nižší spotřeby helia je také možné dosáhnout zvýšením tlaku v testované součástce a zároveň snížením koncentrace. Efekt se bude lišit podle toku, který je daný velikostí konkrétní netěsnosti.