Во всех вакуумных камерах будет натекание воздуха с течением времени, в результате чего вакуум будет ухудшаться. Термин «скорость утечки» используется для определения того, насколько быстро воздух возвращается в эту вакуумную камеру. Конечно, воздух содержит в себе кислород, попадание которого при некоторых технологических процессах отрицательно отражается на качестве этих процессов. Воздух также содержит влагу, которая также является источником кислорода. К примеру, влага может стать проблемой на паяных металлических поверхностях, поскольку адсорбированная влажность часто очень трудно удаляется с поверхности металла (это может быть проблемой в алюминиевой вакуумной пайке).
Скорость натекания должна контролироваться до очень низких уровней, часто допускается натекание в диапазоне от 2 до 10 миллиторр в час, чтобы гарантировать хорошое протекание технологических процессов.
Поэтому одной из основных обязанностей персонала вакуумной установки является контроль натекания в вакуумной камере путем регулярного контроля скорости натекания, и если скорость натекания становится недопустимой, то необходимо найти источник утечки и устранить эту утечку.
Обычным способом обнаружения утечки в вакуумной камере является использование гелиевого течеискателя. Существует два метода, а именно метод гелиевого щупа или методом обдува. В методе гелиевого щупа вакуумная камера должна быть заполнена гелием, а щупом производился поиск течи. Это не работает для многих вакуумных камер, так как требуется, чтобы она была под давлением, а многие из них не способны выдерживать положительные давления.
Типичный пистолет, используемый при течеискании
При методе гелиевого обдува происходит противоположное: вакуумная камера откачивается до рабочего вакуума, а затем гелий распыляется на все внешние стыки и соединения. Гелиевый течеискатель, который подключен к вакуумной камере, контролирует концентрацию гелия внутри. Для пайки я настоятельно рекомендую использовать только технологию гелиевого распыления.
Обнаружение утечки методом обдува.
Оборудование для этого метода состоит из переносного гелиевого течеискателя, в том числе баллон с гелием, регулятор потока газа и шланга с гелиевым пистолетом. Обратите внимание, что используемый масс-спектрометр – это тот, который обнаруживает только гелий.
Фото типичного гелиевого течеискателя
Проще говоря, вакуумная камера откачивается до рабочего уровня вакуума. И она, очевидно, будет втягивать внешний воздух внутрь через любую небольшую течь, которая может присутствовать в любом из уплотнений, соединений и т. д. Гелий затем распыляется вокруг каждого из потенциальных мест утечек, обычно начиная с двери, поскольку она является наиболее распространенным источником течи. Когда крошечные атомы гелия сталкиваются с небольшой точкой, через которую воздух входит внутрь, газообразный гелий также быстро входит в вакуумную камеру в этой точке. В то время как оператор проверки герметичности медленно перемещает гелиевый пистолет вокруг каждого из фитингов, масс-спектрометр постоянно отбирает газ из вакуумной камеры через испытательное отверстие. Когда в него попадут какие-то атомы гелия, автоматически пройдёт сигнал тревоги.
Временная задержка между попаданием гелия внутрь и попаданием этого атома гелия в блок масс-спектрометра очень коротка и в зависимости от размера вакуумной печи обычно измеряется от долей секунды, до нескольких секунд.
Когда звучит сигнал тревоги, оператор течеискателя останавливается и очень медленно перемещает пистолет с гелием вокруг области уплотнения / прокладки, до тех пор, пока точное местонахождение течи не будет найдено.
После обнаружения течи персонал по техническому обслуживанию должен устранить эту утечку, заменив уплотнение, тщательно очистив область соединения между двумя соединениями и вставив новую прокладку. Если утечка обнаруживается в любом из других соединений, обслуживающий персонал просто уплотняет эту течь вакуум-герметиком.
Наличие в вакуумных системах течей представляет собой, как правило, весьма сложную задачу, решение которой, заключающееся в обнаружении, локализации и ликвидации течи, часто требует значительных усилий и времени.
Что касается сверхвысоковакуумных систем, то в этом случае даже предельно малые течи крайне нежелательны. К счастью, ввиду высокой степени разрежения, а также использования в этих системах высокочувствительных вакуумметров, обнаружение и локализация малых течей по сравнению с системами более грубого вакуума во многих случаях значительно упрощается.
Наличие течи в системе проявляется в невозможности достижения предельного разрежения, на которое рассчитана данная вакуумная система. Для выяснения причины плохого вакуума следует изолировать систему от насоса и следить за нарастанием давления в ней. Если сначала давление газа растет быстро, а затем достигает предела, то причиной плохого вакуума является, вероятнее всего, выделение газа со стенок системы или присутствие загрязняющих веществ с высоким давлением паров. Если же давление продолжает непрерывно расти, то в этом случае следует искать в системе течь.
Наличие в системе клапанов позволяет последовательно (посекционно) проверять на течь различные ее участки, тем самым сужая зону поиска. Время, необходимое для выявления малых течей, может быть весьма значительным, так что при невозможности достичь требуемого разрежения следует в первую очередь воспользоваться указанным методом определения течи, а не искать какие-либо иные причины натекания газа в систему.
Для определения малых течей через стенки вакуумных элементов наиболее часто применяют пластиковый чехол с пробным газом, которым охватывают отдельные участки оболочки. Прошедший сквозь течь пробный газ регистрируется помещенным внутри системы датчиком. Чувствительность датчика зависит от рода газа, а его показания по мере проникновения пробного газа сквозь течь изменяются.
Чувствительность ионизационных вакуумметров различна для разных газов; так, для вакуумметра Байярда — Альперта (ВБА) чувствительность по гелию в 5 раз хуже, чем по азоту. ВБА наиболее широко используется в системах сверхвысокого вакуума и представляет собой достаточно подходящий датчик для обнаружения течей при использовании гелия в качестве пробного газа.
Для поиска течи можно также воспользоваться ионным насосом в тех системах, где он применяется. Для этого измеряют падение тока в насосе, обусловленное изменением состава откачиваемого газа. Однако следует отметить, что ни один из указанных методов не обладает достаточной чувствительностью для определения экстремально малых течей, которые требуют применения специальных устройств.
Таким устройством является специально сконструированный для обнаружения течей масс-спектрометр, анализатор которого настроен на пробный газ для обеспечения максимальной чувствительности. Главным преимуществом высокочувствительного масс-спектрометрического течеискателя является его универсальность. Течеискатели этого типа, наряду с анализатором, обычно снабжены собственной системой откачки, а также электронной системой регистрации и контроля. Течеискатели выпускаются либо в стационарном варианте для проверки на герметичность отдельных вакуумных элементов систем, либо в переносном — для подсоединения в нужном месте вакуумной системы с целью проверки ее герметичности.
После обнаружения течи для ее локализации стенки вакуумной системы обдувают пробным газом с помощью наконечника с соплом. Однако при перемещении наконечника по поверхности течь можно пропустить вследствие слишком кратковременного обдува места течи. Поэтому на поиск места течи иногда затрачивается слишком много времени.
Предварительная проверка на герметичность элементов конструкции вакуумной установки, а также прогнозирование возможных мест течи, основанное на практическом опыте, могут значительно ускорить поиск. Для повышения чувствительности можно воспользоваться методом аккумулирования пробного газа в той части установки, где ведется поиск течи.
При значительной течи, когда давление остаточного газа довольно высокое, влияние пробного газа, проходящего через течь, на общий ток в датчике может быть незначительным, особенно если пробный газ разбавлен воздухом. В этом случае лучше использовать ацетон. Быстрое испарение ацетона или даже возможная закупорка им относительно небольших течей приводит к существенному изменению давления.
Способ устранения течи в каждом конкретном случае зависит от причин, ее вызвавших. Так, если течь возникла в разборном уплотнении, то подтягивание крепежных болтов или замена прокладки может быть вполне достаточным для ликвидации течи. Если же течь возникла в результате дефектов в материале некачественной сварки или повреждения неразъемного соединения различных материалов, то необходима замена бракованной детали на новую. Известен ряд материалов, которые могут быть использованы для устранения небольших течей; эти материалы, нанесенные в жидком виде на, место течи, в результате диффузии проникают в канал течи и закупоривают его.
Хотя получающееся уплотнение способно выдерживать нагрев до не слишком высоких температур, оно может быть использовано лишь временно, когда по каким-либо причинам невозможно сразу заменить некачественную деталь на новую. Если течь возникла в неразъемном соединении, то для устранения течи может быть достаточным проведение повторной технологической операции сварки или пайки соединяемых деталей.
В вакуумной технике есть область, при упоминании о которой те, кто работает с вакуумными приборами и установками, грустнеют. Но именно эту область и надо знать хорошо. Речь идет о поиске негерметичностей, или «течей», в вакуумных приборах и системах, или, как говорят, о течеискании. Причиной их могут быть ошибки в конструкции, нарушения технологии при изготовлении и дефекты материалов.
Определить сам факт натекания в вакуумную камеру несложно: при работающем насосе достигается не предельный вакуум насоса, а существенно худший. Другой способ — прекратить откачку и вести наблюдение за изменением давления в системе. Если давление нарастает, то возможно натекание. Но задача не только в том, чтобы определить сам факт натекания, а в том, чтобы найти место течи и ликвидировать ее. В вакуумной установке может быть два-три десятка фланцев, два-три десятка вводов, десятки метров сварных и паяных швов. А бывает и на порядок больше. И в каждом вводе может быть течь, в каждом фланце может быть течь, в каждом миллиметре каждого шва тоже может быть течь. Казалось бы, если все сделано доброкачественно, то течей быть не должно. Ведь все элементы вакуумной системы могут быть проверены до монтажа. К сожалению, это не совсем так: маленькие фланцы и вводы могут быть проверены предварительно, а большие элементы, в частности, сама камера, не могут быть проверены никак иначе, чем «в сборе». Но мало собрать камеру без течей — вакуумные камеры, как правило, прогреваются для обезгаживания, а при прогреве из-за разницы в коэффициентах теплового расширения в элементах вакуумной установки возникают механические напряжения и как их следствие — течи. Что с ними делать? Элементы, которые можно заменить, заменяют. Швы иногда пытаются «подваривать», т. е. производить сварку поверх уже имеющегося шва, но далеко не всегда это кончается успешно. Наконец, существуют термостойкие лаки и смолы, которыми замазывают место течи *). Но для проведения всех этих мероприятий надо знать, где она, течь. Как же это установить?
Предположим, что имеется вакуумметр с большой селективностью, особо чувствительный к какому-то газу. Обдувая вакуумную камеру снаружи тонкой струйкой этого газа и наблюдая за показаниями вакуумметра, мы отметим момент, когда показания вакуумметра резко возрастут. А посмотрев, какое место установки мы при этом обдували «пробным газом», увидим, где течь. Практически удается локализовать место течи с точностью до миллиметра. В качестве пробного газа чаще всего применяется гелий, а в качестве высокоизбирательного вакуумметра — спектроанализатор, настроенный на пик ионов гелия.
Применить этот метод можно, так сказать, наоборот: заполнить камеру газом, содержащим галоген, проще всего тем же фреоном под давлением больше атмосферного, и через место течи он будет сочиться наружу. Снаружи надо поставить нагретую платиновую проволочку, а рядом с ней — любой электрод под отрицательным относительно нее потенциалом. При нагреве из платины начинают диффундировать наружу имеющиеся в ней атомы примесей, в первую очередь — калия и натрия. С поверхности они могут испаряться в виде либо атомов, либо положительных ионов. Ток, протекающий в цепи отрицательного электрода, пропорционален доле ионов. Оказывается, что эта доля увеличивается в присутствии галоидосодержащих газов.
*) В вакуумной технике применяются кремнийорганические смолы и некоторые другие вещества, выдерживающие температуры до 400 °С и позволяющие после замазывания течей в приборе этими веществами получить вакуум до Ю-7 Па. Заметим, что в электронных приборах скорость откачки геттер обычно невелика. В установках же с большей скоростью откачки допустим соответственно и большее газовыделение, и большие течи.
Течеискание
ТечеисканиеШешин Е.П. Основы вакуумной техники: Учебное пособие. — М.: МФТИ, 2001. — 124 с.
В вакуумной технике под течеисканием понимается совокупность средств, методов и способов обнаружения течей и установления степени герметичности вакуумных систем.
Место нарушения целостности оболочки называют течью. Это обычно микропоры в самом материале оболочки и в сварных швах, риски на рабочей поверхности фланцев и металлических уплотнителей, образующие сквозной канал с выходом на обе стороны оболочки. Величина течи, так же, как и степень герметичности, характеризуется потоком воздуха, перетекающего через течь в единицу времени при нормальных условиях.
В вакуумной технике количество газа, натекающего в систему, часто характеризуют произведением объема проникшего газа V на его давление Р. Количество газа, проникшего в систему, деленное на время натекания, определяет поток газа.
В системе СИ основными единицами объема, давления и времени являются метр кубический (м3), паскаль, равный ньютону, деленному на метр квадратный (Па = Н/м2) и секунда (с). Отсюда поток будет выражаться:
.
До настоящего времени в вакуумной технике, в частности, в течеискании, еще широко применяется в качестве единицы измерения потока газа литр на микрон ртутного столба в секунду (л×мкм рт. ст/с), равный 1,33×104 Вт.
Требования к степени герметичности вакуумной системы определяются величиной максимально допустимого натекания в систему При контроле герметичности изделия следует различать две основные технологические операции:
1) контроль герметичности — технологическая операция, служащая для установления степени герметичности изделия;
2) поиск течи — операция, заключающаяся в обнаружении и установлении мест расположения единичных течей.
Для установления степени герметичности системы с одной стороны оболочки подают пробное вещество — газ или жидкость, легко выделяемые (идентифицируемые) в окружающей среде или в составе остаточного газа. С другой стороны, оболочки фиксируют появление и количественное изменение содержания пробного вещества.
По способу создания потока и идентификации пробного вещества различают следующие методы контроля герметичности: метод опрессовки, люминесцентный метод, метод искрового разряда, манометрический метод, галогенный метод, масс-спектрометрический метод и некоторые другие. В вакуумной технике наибольшее распространение получили масс-спектрометрический и манометрический методы в различных модификациях.
4.1. Манометрический метод
Для поиска течей могут быть использованы любые манометрические преобразователи, показания которых зависят от рода газа, например, электронные ионизационные и теплоэлектрические. Поиск течей сводится к следующему. После установления давления в вакуумной системе подозреваемое в натекании место обдувают пробным газом или смачивают жидким пробным веществом. Изменение показаний вакуумметра свидетельствует о наличии течи. Наибольший эффект дает работа с жидкими пробными веществами: ацетоном, спиртом и эфирами. Небольшие количества жидкости, проникшие в вакуумную систему через течь, испаряясь в вакууме, резко увеличивают общее давление в системе.
Поиск течей с помощью жидких пробных веществ наряду с большой эффективностью имеет свои неудобства. Подъем жидкости по капилляру малых течей, меньших 10–7 Вт (10–3 л×мкм рт. ст/с), происходит за время от нескольких минут до нескольких часов. Поэтому вакуумметр может среагировать па пробное вещество в тот момент, когда будет обследоваться уже другой участок поверхности. Тем самым возникнет ложное представление о месте расположения течи. Чтобы убедиться в правильности обнаружения места расположения течи, удаляют пробное вещество (если имеется возможность, прогревают контролируемую поверхность, например, легким пламенем горелки) и после установления давления в системе повторяют испытания.
Минимальная величина течей, выявляемых манометрическим методом, зависит от общего давления в системе, которое в данном случае является фоном. По мере обнаружения и устранения течей установившееся давление в системе понижается и соответственно повышается вероятность обнаружения все более малых течей.
Поиск течей целесообразно вести, когда стрелка вакуумметра находится в конце шкалы прибора. Если стрелка вакуумметра находится в начале шкалы, целесообразно несколько снизить быстроту откачки, прикрыв высоковакумный затвор, и переключить вакуумметр на более грубый диапазон. При этом относительная минимальная регистрируемая величина изменения показаний вакуумметра будет увеличена.
4.2. Масс-спектрометрический метод
Наиболее распространенным в вакуумной технике методом контроля герметичности и поиска течей является масс-спектрометрический метод, обладающий высокой чувствительностью. Сущность метода заключается в регистрации прохождения через оболочку пробного вещества с помощью масс-спектрометра, настроенного на данное пробное вещество. Отечественной промышленностью выпускается серия масс-спектрометрических течеискателей и измерителей концентрации, настроенных на гелий. Основным элементом течеискателя является масс-спектрометрический анализатор, представляющий собой масс-спектрометр с магнитным отклонением пучка ионов.
Принцип действия демонстрируется на рис 4.1, на котором показана масс-спектрометрическая камера течеискателя, предназначенного для работы с гелием в качестве пробного газа. Электроны, эмиттируемые катодом 9, попадают в камеру ионизации 8. Источник питания катода 11 подключен к анализатору через фланец 10. В случае негерметичности вакуумной системы, обдуваемой пробным газом, молекулы гелия через фланец 5 проникают в камеру ионизации. Положительные ионы гелия ускоряющим напряжением направляются в камеру магнитного анализатора 6. Ускоряющее напряжение Еy и магнитная индукция В подбираются таким образом, чтобы ионы гелия, прошедшие через входную щель 7, двигаясь по траектории 4, попали в выходную щель 2. Остаточные газы по траектории 3 разряжаются на стенках анализатора.
Рис. 4.1. Масс-спектрометрическая камера течеискателя
В отличие от анализаторов парциальных давлений, которые должны иметь высокую разрешающую способность и перестраиваться на различные массовые числа, датчик течеискателя настраивается только на пробный газ. При этом входная и выходная щели могут быть расширены, что увеличивает чувствительность течеискателя. Этот способ повышения чувствительности можно применять для гелия, не имеющего в составе воздуха веществ с близкими массовыми числами.
Коллектор ионов 1 соединяется с электрометрическим каскадом 13, усиливающим падение напряжения на высокоомном сопротивлении. Блок измерения ионного тока 12 после дополнительного усиления выходного сигнала электрометрического каскада выводит результаты измерений на стрелочный прибор или самописец.
Схема типового течеискателя представлена на рис. 4.2. Пароструйный и механический насосы служат для создания и поддержания в камере течеискателя давления 2,5×10–3 – 2,5×10–2 Па (2,5×10–5 – 2,5×10‑4 торр). Напряжение на нагревателе пароструйного насоса регулируется автотрансформатором.
Заливная азотная ловушка предназначена для предотвращения попадания паров рабочей жидкости насосов в масс-спектрометрическую камеру, а также для защиты камеры oт загрязнения ее конденсирующимися парами и газами, поступающими от испытуемого объекта. Дросселирующий клапан Ду-32 (поз. 6) служит для сообщения объекта испытаний с вакуумной системой течеискагеля. Клапан Ду-25 (поз. 5) служит для отделения масс-спектрометрической камеры от вакуумной системы течеискателя. Необходимость в этом возникает, например, при замене катода или чистке камеры. Трехходовые клапаны Ду-8 (поз. 7, 2, 3 и 4) служат для управления форвакуумной и предварительной (байпасной) откачкой вакуумной системы механическим насосом, а также для напуска атмосферы в вакуумную систему.
Клапаны устроены так, что два канала клапана на рисунке, расположенные в горизонтальной плоскости, постоянно сообщаются между собой, образуя один сквозной канал. Третий канал может закрываться и открываться, сообщая соответствующие участки вакуумной системы с линией низковакуумной откачки.
Рис. 4.2. Схема гелиевого течеискателя:
1–8 — клапаны; 9 — натекатель; 10 — вымораживающая ловушка; 11 — диффузионный паромасляный насос; 12 — механический вакуумный насос с масляным уплотнением; 13 — калиброванная гелиевая течь; 14 — магниторазрядный манометрический преобразователь; 15 — масс-спектрометрическая камера; 16 — выносной электроизмерительный каскад; 17 — вентилятор электронных блоков; 18 — термопарный манометрический преобразователь; «Панель управления» — основная панель управления, содержащая приборы и переключатели, необходимые для управления работой течеискателя и измерения «ускоряющего напряжения», «тока эмиссии», давления в системе и напряжения на нагревателе диффузионного насоса; УПТ — усилитель постоянного тока; ВПК — блок питания масс-спектрометрической камеры и магниторазрядного манометрического преобразователя; ВПУ — выносной пульт управления
Включение течеискателя осуществляется в следующей последовательности. Проверяют, все ли клапаны закрыты. Включают общее питание течеискателя. Включают механический насос. Включают термопарный вакуумметр. После достижения необходимого разряжения в форвакуумной линии открывают клапан «Пароструйный насос». Включают нагреватель пароструйного насоса, устанавливают необходимое напряжение питания нагревателя. Включают усилитель постоянного тока. Времени выхода на режим диффузионного насоса бывает достаточно и для прогрева электроизмерительного блока. Спустя 30–35 мин с начала включения течеискателя заливают жидкий азот в ловушку. О том, что в диффузионном насосе полностью сформировались струи и началась высоковакуумная откачка, можно судить по величине давления в форвакуумной линии. По прошествии 40–45 мин с момента включения диффузионного насоса, времени, достаточного для его разогрева, закрывают клапан «Пароструйный насос, открывают клапан «Камера», производят предварительную откачку масс-спектрометрической камеры. Во избежание сильного замасливания масс-спектрометрической камеры не следует долго оставлять камеру под откачкой механическим насосом. После достижения в ней давления 5–8 Па (~5×10–2 торр) следует закрыть клапан «Камера» и открыть клапан «Пароструйный насос». После этого открывают клапан между масс-спектрометрической камерой и диффузионным насосом. При последующем выключении течеискателя масс-спектрометрическую камеру оставляют «под вакуумом». Тогда в дальнейшем отпадает необходимость в предварительной откачке камеры механическим насосом, соответственно уменьшается загрязнение ее парами масла механического насоса. (Для удобства работы полезно маховик клапана 5, расположенного между камерой и диффузионным насосом, вынести выше верхней крышки течеискателя.)
Выключение течеискателя осуществляется в обратной последовательности. При этом следует помнить, что ловушку необходимо полностью разморозить при откачке ее диффузионным насосом. При размораживании ловушки клапан 5 должен быть уже закрыт. Клапан «Пароструйный насос» закрывается при остывании нижней части насоса до температуры 60–80 °С. После выключения механического насоса необходимо открыть клапан «Атмосфера», напустить атмосферный воздух в форвакуумную линию и закрыть клапан. Перед началом испытаний новой партии приборов необходимо произвести градуировку течеискателя. Градуировку следует производить при рабочем давлении в камере с помощью диффузионной гелиевой течи «Гелит», встроенной в течеискатель. Для этого закрывают клапан Ду-32 (поз. 6), выключают катод ионного источника, выключают магнитный электроразрядный вакуумметр, предварительно переключив его на шкалу 2500 мкА. Разобщают масс-спектрометрическую камеру с высоковакуумной откачкой закрытием клапана Ду-25 (поз. 5). Откачивают гелиевую течь до давления 2,5–5 Па (~2×10–2 – 3×10–2 торр), открыв для этого клапаны «Камера» и «Гелиевая течь». Закрывают клапан «Камера» и открывают клапан Ду-25 (поз. 5). Включают магниторазрядный вакуумметр и откачивают камеру до давления 2,5×10–3 – 5×10–3т (50–80 мкА по шкале магниторазрядного вакуумметра). Включают катод ионного источника и фиксируют установившиеся показания От стрелочного прибора выносного пульта управления ВПУ. Закрывают клапан «Гелиевая течь». При этом отсчет течеискателя начнет уменьшаться. Рассчитывают чувствительность течеискателя к потоку гелия по формуле
, (4.1)
где sq — чувствительность течеискателя к потоку гелия; Q — величина потока гелия калиброванной гелиевой течи.
Чем меньше численная величина sq, тем лучше, так как это означает, что меньшему потоку гелия, поступающему в течеискатель, будет соответствовать больший отсчет течеискателя.
Градуировка течеискателей, в которых отсутствует встроенная течь, осуществляется следующим образом. Через клапан 8 к течеискателю подсоединяется калиброванная гелиевая течь. Через клапан 7 подсоединяется вспомогательный насос. Течеискатель включается в рабочий режим. Вспомогательным насосом через клапаны 7 и 8 производится откачка гелиевой течи до давления 2,5–5 Па (2×10–2 – 3×10–2 торр). Выключается катод масс-спектрометрической камеры. Закрывается клапан 7, открывается дросселирующий клапан 6 течеискателя. Выключается вспомогательный насос. После установления давления в камере фиксируют показания течеискателя aт. Закрывают клапан 8 и после стабилизации показаний течеискателя фиксируют фон aф. Закрывают клапан 6. Производят расчет чувствительности течеискателя.
Хотя градуировка течеискателя производится по потоку гелия, в действительности его масс-спектрометрический анализатор определяет концентрацию гелия в камере. Соответствие установившейся концентрации гелия в камере и потока гелия, поступающего в течеискатель, устанавливается известной формулой:
, (4.2)
где Рг — давление гелия в камере; Qг — поток гелия в течеискатель; Sг — быстрота откачки камеры по гелию.
Изменение быстроты действия диффузионного насоса по гелию в зависимости от мощности подогрева насоса открывает возможности для регулирования чувствительности течеискателя. При снижении мощности подогрева снижается быстрота действия по гелию. При этом быстрота действия по воздуху в широком диапазоне остается практически постоянной. Это позволяет повысить чувствительность течеискателя в результате увеличения давления гелия в камере при том же потоке гелия и сохранении общего давления в камере. При изменении мощности, подводимой к нагревателю пароструйного насоса, должна быть произведена повторная градуировка течеискателя.
С помощью гелиевого течеискателя может производиться как контроль герметичности, так и поиск течей. Для повышения достоверности и обеспечения большей точности измерений градуировку течеискателя следует производить, при рабочем давлении в камере, давлении, которое будет в процессе испытаний.
Предельные возможности течеискателя характеризуются минимальным потоком гелия, который регистрируется течеискателем:
Q = 2DaфSQ,(4.3)
где 2Daф — отсчет течеискателя, принимаемый за достоверный; Daф — максимальная амплитуда флуктуаций фона.
Расширения предельных возможностей течеискателя (снижения Qmin) можно достичь повышением его чувствительности (снижениеем численного значения SQ) в результате снижения мощности подогрева пароструйного насоса. Однако следует иметь в виду, что одновременно с повышением чувствительности повышается флуктуация фона. Так, увеличение чувствительности при снижении напряжения на нагревателе насоса ниже 180 В полностью компенсируется увеличением флуктуаций фона течеискателя.
С помощью масс-спектрометрического течеискателя контроль герметичности и поиск течей осуществляются способами обдува и гелиевых чехлов (камер), способом щупа, барокамеры, вакуумных присосок и способом накопления. Способ обдува и гелиевых чехлов в основном применяется для испытаний вакуумных систем с собственными средствами откачки и элементов вакуумных систем. В этом случае на наружную поверхность изделия подается пробный газ. Во внутренней полости изделия создается разрежение и фиксируется проникновение в нее пробного газа.
Способы щупа, барокамеры и вакуумных присосок применяются для испытаний изделий, в которых нельзя или нецелесообразно создавать разрежение. В этом случае в изделии создается избыточное давление пробного газа и фиксируется проникновение его на наружную поверхность. Способом вакуумных присосок, кроме того, могут быть испытаны изделия без замкнутой оболочки, например листы металла на целостность. Способ накопления может явиться разновидностью любого из перечисленных способов, за исключением, пожалуй, способа щупа.
В вакуумной технике наибольшее распространение получили способы обдува и гелиевых чехлов, причем первый обычно применяется для поиска течей, второй для контроля герметичности. В обоих случаях вакуумная система течеискателя соединяется с вакуумной системой испытуемой установки. Рекомендуется подключать течеискатель в форвакуумную линию испытуемой установки, как показано на рис. 4.3. Такое подключение обеспечивает максимальную чувствительность испытаний. Подсоединять вакуумную систему течеискателя к испытуемой установке лучше всего гибким металлическим шлангом, при отсутствии такового — резиновым вакуумным шлангом.
Рис. 4.3. Схема присоединения течеискателя при испытаниях
вакуумных систем способом обдува и гелиевых камер (чехлов):
1 — рабочая камера установки ; 2 — затвор; 3 — клапан;
4 — высоковакуумный насос; 5 — форвакуумный насос;
6 — дросселирующий клапан; 7 — течеискатель
Испытания проводятся в следующей последовательности. В испытываемой установке создают рабочее давление. При создании разрежения в вакуумной системе трубопровод, соединяющий вакуумную установку с течеискателем, также должен быть откачан. Затем открывают клапан 6 и устанавливают рабочее давление в масс-спектрометрической камере течеискателя. Если клапан 6 полностью открыт и показания магниторазрядного вакууметра течеискателя меньше 350 мкА, закрывают клапан 3, направляя весь поток газа, откачиваемого высоковакуумным насосом установки через вакуумную систему тeчeиcкaтeля. Включают катод масс-спектрометрической камеры течеискателя. Далее производят обдув гелием, начиная с той точки рабочей камеры установки, которая наиболее удалена по схеме вакуумной системы испытуемой установки от низковакуумного насоса и находится выше других в пространстве, постепенно приближаясь к низковакуумному насосу как по схеме вакуумной системы, так и по расположению в пространстве обследуемых участков оболочки вакуумной системы.
Обдув производят с помощью обдувателя, входящего в комплект течеискателя, присоединяемого к баллону с гелием. На практике не всегда имеется возможность разместить поблизости баллон с гелием. Тогда удобно пользоваться медицинской кислородной подушкой, заполненной гелием. При отсутствии обдувателя в качестве такового может быть использована игла от медицинского шприца или тонкая, сплющенная на конце металлическая трубка.
Проводя испытания разветвленных вакуумных систем с большой длиной соединительных трубопроводов способом обдува, необходимо учитывать временные характеристики течеискателя и высоковакуумного насоса испытуемой установки. Начиная с момента поднесения струи гелия к течи, содержание его в рабочей камере испытуемой установки увеличивается. Общее количество гелия в высоковакуумной части испытуемой установки определится разностью потоков гелия, поступающего через течь и удаляемого в результате откачки.
Для установления максимальной концентрации пробного газа в датчике необходимо некоторое время. При постоянном перемещении щупа по поверхности поступление пробного газа в датчик начнет уменьшаться в результате удаления его от течи прежде, чем будет достигнута максимальная концентрация. Характер изменения во времени концентрации пробного газа в датчике показан на рис. 4.4. Момент времени t1 соответствует прохождению щупа над течью. Таким образом, реакция течеискателя и соответственно чувствительность испытаний зависят от степени приближения щупа к контролируемой поверхности и от скорости перемещения щупа. Максимальная чувствительность испытаний, равная чувствительности течеискателя, достигается в том случае, если остановить щуп над течью.
Рекомендуемая скорость перемещения щупа 1 см/с. Щуп должен находиться на расстоянии 0,5 мм от контролируемой поверхности для большинства реальных условий испытаний. Снижение скорости перемещения неоправданно увеличит длительность испытании; увеличение скорости перемещения обдувателя может привести к пропуску малых течей. Способ щупа в масс-спектрометрическом методе, так же как и способ обдува, применяется для поиска течей. Для осуществления этого способа к течеискателю через вакуумный шланг присоединяется щуп. Устанавливается такой поток газа через щуп, чтобы в масс-спектрометрической камере течеискателя поддерживалось рабочее давление. Испытания проводятся так же, как и испытания с применением галогенного течеискателя.
 |
|
|
Рис. 4.4. Изменение во времени концентрации пробного газа |
Рис. 4.5. Контроль герметичности электрического ввода |
Способ барокамеры отличается тем, что изделие, заполненное пробным газом, помещается в барокамеру, в которой создается разрежение и к которой подключается течеискатель. Этим способом осуществляются операции контроля герметичности, позволяющие численно охарактеризовать суммарное истечение пробного газа из изделия.
Способ вакуумных присосок нашел широкое распространение в вакуумной технике для контроля герметичности элементов вакуумных систем в процессе их изготовления. Испытания способом вакуумных присосок проводятся обязательно со вспомогательным низковакуумным насосом, который подсоединяется через клапан 7 (см. рис. 4.1). Через клапан 8 гибким шлангом присоединяется к течеискателю вакуумная присоска. Конструкция вакуумных присосок бывает самая различная в зависимости от формы проверяемых поверхностей. Для проверки плоскости это обычно металлический лист необходимого контура с приклеенным к нему по контуру резиновым уплотнителем достаточно большой высоты. Наибольшее распространение получили присоски в виде металлического стакана (рис. 4.5).
Испытания проводятся в следующей последовательности. Испытуемое изделие слегка прижимают к уплотнителю присоски. Вспомогательным насосом производят откачку внутренней полости присоски. При этом атмосферное давление прижимает испытуемое изделие к присоске, обеспечивая надежное уплотнение. Плавно открывают дросселирующий клапан течеискателя. Закрывают клапан, сообщающий присоску со вспомогательным насосом. Проводят испытания.
В зависимости от цели испытания — поиск течи или контроль герметичности — обдувают испытуемое изделие гелием или создают вокруг него гелиевую камеру.
Часто для увеличения надежности создания уплотнения поверхности соприкосновения испытуемого изделия и уплотнителя присоски смачивают вакуумным маслом или спиртом. Чрезмерное смачивание вредно, так как случайно может быть перекрыта течь. Смачивать лучше только торцевую поверхность уплотнителя.
Для осуществления способа накопления к клапану 7 (см. рис. 4.1) присоединяют вспомогательный насос с относительно большой быстротой действия по воздуху и малой быстротой действия по гелию, например, цеолитовый насос. Дросселирующий клапан 6 течеискателя заменяют клапаном с малым временем открытия и закрытия, например, клапаном с эксцентриковым приводом. Эксцентриковый клапан можно ставить и последовательно с клапаном в течеискателе. Испытуемое изделие присоединяют непосредственно к клапану 8 или через короткий трубопровод. В соединительной коммуникации между испытуемым изделием, вспомогательным насосом и течеискателем устанавливают средства измерения давления.
Способ накопления обычно совмещают со способом гелиевых камер. Испытания проводят в следующей последовательности. В крупносерийном производстве испытуемое изделие помещают в герметичную камеру. В лабораторной практике и в единичном производстве вокруг присоединенного к течеискателю испытуемого изделия создают чехол, например, из полиэтилена или другого аналогичного материала. Край чехла дальше проверяемой поверхности закрепляют липкой полихлорвиниловой лентой. Затем включают течеискатель (течеискатель может быть включен заранее). При закрытом эксцентриковом клапане откачивают испытуемое изделие до давления не выше рабочего давления в масс-спектрометрической камере течеискателя. Открывают эксцентриковый клапан. Фиксируют фоновый отсчет течеискателя. Закрывают эксцентриковый клапан. В камеру (или чехол) под незначительным избыточным давлением подают пробный газ — гелий. Фиксируют время его подачи. По истечении времени накопления открывают эксцентриковый клапан и фиксируют максимальный отсчет течеискателя. По разности показаний течеискателя оценивают величину натекания гелия в изделие.
Перед испытаниями производят градуировку течеискателя. Для этого на изделии устанавливают калиброванную гелиевую течь. Последовательность операций при градуировке аналогична последовательности при испытаниях. Как и при испытаниях, фоновым отсчетом являются установившиеся показания течеискателя при открытом эксцентриковом клапане. Применением способа накопления можно в десятки и сотни раз повысить чувствительность испытаний, проводимых с применением масс-спектрометрического течеискателя методами обдува и гелиевой камеры.
могеть типа он 2 функцию имееть типа переключаеть а не закрываеть надо регулировать у мну не типа распор есть болт регулируеть прилегание при закрытом
Но ведь когда я снимаю пневмо шланг с самого клапана, происходит имитация прекращения подачи сжатого воздуха на него, но течь, блин, не прекращается. Когда высвобождаю давление со всей пневмо системы – течь прекращается. Я не могу понять своей головой, что ещё кроме байпаса может течь в камере из-за давления в пневмо системе. Причём сегодня, когда заканчивал работу камера прогрелась и уже не так сильно “текло” даже при наличии давления в сжатого воздуха в системе.
Честно, уже хотел ставить распорку на форвакуумный клапан, чтобы он не закрывался, а из пневмо системы выпускать сжатый воздух, чтобы не было течи. :fool:
Не помню уже конструкцию этих электропневмноклапанов. Там есть в каком нибудь месте
стенка между давлением и вакуумом? Или нет. Т.е. течет непосредственно сжатый воздух в камеру,
или пневмосистема чего-то недожимает, может деформирует что-то, например резинку незатянутую.
Стенки нет, напрямую течь не может. Резинки все проверены, в норме.
