На чем основан принцип работы гелиевого течеискателя
Гелиевый течеискатель, способы исследования утечек гелием, достоинства и принцип работы течеискателя
Гелиевый течеискатель – один из самых распространенных видов течеискателей. Его принцип работы основан на масс-спектроскопическом анализе пробного газа – гелия, за что прибор и получил свое название.
Гелиевый течеискатель
Применяется гелиевый течеискатель в вакуумных системах, в которых можно откачать внутренний объем или в емкостях, заполненных гелием или содержащими гелий газами. Гелий применяется в качестве образца, поскольку обладает высокой текучестью и химической инертность. Он безвредный и легко проникает в мелкие трещины и пустоты, а масс-спектрометрический прибор может легко его обнаружить даже при минимальном количестве. Поэтому гелиевый способ обнаружения течи является очень точным и чувствительным.
По методу исследования гелиевые течеискатели делятся на два типа:
Первый вид течеискателя предусматривает откачивание воздуха из испытываемой емкости в то время, как сама емкость находится в камере или чехле, наполненном гелием. При наличии течи низкое давление емкости будет втягивать газ снаружи внутрь через щель. Подключенное к емкости оборудование исследует и определяет наличие гелия внутри вакуумируемого объема.
Второй вид течеискателя определяет утечку с помощью щупа, обследуя поверхность емкости, заполненной гелием или гелийсодержащей смесью. Щуп втягивает газ вокруг сосуда, передает его в масс-анализатор и определяет наличие гелия.
Недостатком второго метода исследования является миграция вытекаемого газа. Течеискатель может зафиксировать гелий там, где нет утечки, поскольку газ переместился вдоль поверхности сосуда в другое место. Это снижает чувствительность прибора. Поэтому течеискатель со щупом имеет несколько ниже стоимость, чем прибор для откачиваемых объемов.
Современные масс-спектрометрические приборы для вакуумируемых объемов являются универсальными, все они имеют в своей комплектации щуп, поэтому могут использовать для поиска утечек несколько методов.
Преимущества применения гелиевого течеискателя:
Производители течеискательного оборудования постоянно внедряют новые технологии при изготовлении панели управления приборов, поэтому новые течеискатели снабжаются различными автоматизированными системами. Примерами таких функций являются контрольная течь для калибровки показаний, защита от загрязнений, встроенные компьютеры и карты памяти для анализа и записи результатов измерений и прочее.
Значительным недостатком гелиевого течеискателя является его высокая стоимость. Но если есть возможность его приобрести, то, исходя из его достоинств, пожалеть об этом не придется.
Гелиевый течеискатель: принцип работы
Основные узлы гелиевого течеискателя: вакуумная система и электронная схема. Вакуумная система обеспечивает создание вакуума в масс-спектрометрической камере, где происходит процесс обнаружения и измерения течи.
Принцип работы гелиевого течеискателя:
Весь процесс исследования контролируется специальными датчиками, клапанами, блоками питания, т.е. полностью автоматизирован. Для поиска небольшой течи существует специальная функция – дросселирование откачки, которая позволяет увеличить чувствительность испытания. Для существенных течей применяется ступенчатое управление током.
Гелиевый течеискатель, виды и параметры
С тех пор, как человечество начало активно изготавливать всевозможные сосуды, емкости, трубы и прочее, что имело максимальную герметичность для сохранения жидкости или воздуха внутри, появилась необходимость в поиске приспособления для выявления утечек. Но если рассмотреть данный вопрос внимательнее, ты можно с уверенностью сказать, что первичные герметичные системы были столь малы и примитивный, что найти трещину либо плохое соединение между деталями оказывалось достаточно просто, с помощью обычного визуального осмотра. Все стало немного сложнее, когда начала активно развиваться наука химии и алхимии, где в разного рода колбах и сосудах было тяжело определить пропускают ли стенки газ, хотя, в данном случае острой необходимости в изобретении течеискателей также не возникло.
По-настоящему активные размышления и разработка устройств для локального поиска всякого рода утечек стартовали после создания первых парогазовых механизмов, которые просто не смогли бы функционировать без наличия полной герметичности рабочих камер. В первую очередь стал вопрос организации безопасности работы с резервуарами и корпусами, внутри которой будет создаваться высокое давление. Это было связано с тем, что технология паяных либо сварных швов в то время была плохо развита и все создаваемые герметичные емкости были потенциально опасными для людей, находящихся рядом с ними в процессе эксплуатации. Корпус механизма мог пропускать взрывоопасный газ или просто разорваться от сильного давления внутри.
Гелиевый течеискатель – это
Данное приспособление считается одним из наиболее удачных и эффективных устройств, для точной локализации и своевременного обнаружения утечек в вакуумных объемах и системах. Таким образом, гелиевый течеискатель стал неотъемлемым инструментом практически в любом производстве либо лаборатории, производственные процессы которых требуют наличия вакуумной среды. Для примера, далее будет рассмотрен гелиевый течеискатель ПТИ-10, так как он является самым популярным в нынешнее время и по характеристикам использования, является универсальным механизмом. С его помощью возможно производить контроль практически всех видов герметичности, используя для этого пробный газ гелий-4.
Наиболее важной характеристикой данного прибора считается минимальная чувствительность, определяющая возможность регистрации прибора утечки, на минимальном уровне. В стандартном варианте, течь измеряется такой величиной – мбар·л/c.
Существуют такие методы поиска утечки как:
Из всех вышеперечисленных способов поиска утечки, масс-спектрометрический метод является наиболее эффективным и чувствительным.
Гелиевый течеискатель: принцип работы
Данное приспособление является высокочувствительным магнитным масс-спектрометром, который четко настроен на регистрирование гелиевых утечек. Его конструкция позволяет проводить практически любые виды тестирования на герметичность: выявление точек утечки в заполненных гелием объёмах либо без него, а также проведение проверки общей герметичности системы. В процессе проведения тестирования на предмет утечки и герметичность с помощью вакуумного метода, заблаговременно удаленный проверяемый рабочий объем, подключается к масс-спектрометрической камере гелиевого течеискателя и вся поверхность обдается гелием либо устанавливается в чехле, который наполнен гелием. В качестве индикатора выступает парциальное давление, которое определяет масс-спектрометр при его увеличении сигнала.
Если откачать рабочую область нет возможности, то тестируемый объект помещается в специальную вакуумную барокамеру, с помощью чехла либо щупов. Особенность применения данного метода обуславливает обязательное использование газа гелия, который должен вводиться либо вовнутрь тестируемого объема либо полностью поглощать наружную поверхность испытуемого объекта. Сам течеискатель подключается прямо к устройству барокамеры или к трубопроводу предварительного разрешения откачного механизма камеры.
Чтобы обнаружить утечку с помощью щупа либо чехла, газ гелий необходимо вводить в рабочий объём тестируемого объекта. Если применяется щуп, то он используется в качестве точечного индикатора поверхности герметичных участков емкости, который всасывает газ. Таким образом, получается, что устройство-щуп улавливает освобождающийся газ и через гибкий шланг передаёт показатели на считывание течеискателю. Таким образом, взаимосвязанные устройства сигнализируют друг другу найденную утечку, в виде пищания течеискателя, когда тот обнаруживает повышенное содержание гелия в полученном образце воздуха.
В основе работы гелиевого течеискателя заложен принцип действия масс-спектрометрической камеры, которая содержит ионизированный источник и уловитель ионов. Данное устройство размещается между положительным и отрицательным полюсами встроенного в механизм постоянного магнита. Постоянно накаленный катод из вольфрама, составляющий часть ионного источника, создает имитацию электронов, ускорение которым даёт электрическое поле, приложенное меж корпусом ионизатора и самим катодом. Среда магнитного поля, которая действует в сторону направления движения электронов, сосредотачивает их поток в пучок направленного действия, что поступает в находящееся отверстие под полностью катода. Внутри камеры ионизации пучок врезается в молекулы газа, который поступает из тестируемого объекта через щуп, что впоследствии производит их ионизацию. При помощи ускоряющего электрического поля созданные ионы достаются из ионизационной камеры. Это поле движется в противоположном направлении от электронного пучка и вместе с полученным образцом попадает в устройство анализатора, через выводящую диафрагму.
Анализатор – это специальная область масс-спектрометрический камеры, где происходит движение ионов от первоисточника к их приемнику. В этом пространстве происходит сортировка ионов в зависимости от их массы, благодаря действию постоянного магнитного поля, заставляющему двигаться эти ионы по круговой траектории. Данное магнитное поле производит деление пучка ионов, которое выходит от источника на более мелкие пучки, которые разнятся одинаковым отношением заряда к массе. Если изменять ускоряющее напряжение при постоянном напряжении магнитного поля, будет доступно изменение радиуса траектории передвижения ионов с определенной массой.
Такой анализатор – это неотъемлемая часть масс-спектрометрической камеры гелиевого течеискателя, он является 180 градусного образца. Движение ионов внутри анализатора, которое начинается от источника и заканчивается в приемнике, осуществляется по полукруглой траектории. Действия подобного анализатора обладает фокусирующим моментом: разобранный в пучок ионов на определённой массе, после прохождения анализатора снова концентрируется в пучок возле поверхности вводной диафрагмы корпуса приемника. Траектория ионов имеет определённый радиус, который в районе одной диафрагмы приёмника имеет размер 3,5 см.
При помощи изменения ускорения ионов напряжения, можно осуществлять настройку гелиевой масс-спектрометрической камеры на «пик гелия», при достижении которого приёмник ионов будет считывать образцы ионов гелия. Сам же приемник для ионов имеет входную диафрагму, которая принимает ионы коллектора электродами молекулы супрессорной системы. Данный элемент конструкции течеискателя состоит из двух сеток, обеспечивающих задержку разбитых ионов, которые незапланированно попали во входную диафрагму приёмника. Между этими сетками создаётся электрическое поле, которое служит для отфильтровывания ионов с недостаточной энергией и пропуска полностью заряженных молекул.
Ещё, в устройстве гелиевого течеискателя присутствуют коллектор ионов, который подключается к входу электрометрического каскада, усиливающего постоянный ток. Для фиксации и оповещения о найденной утечке, блок выходного прибора измерения ионного тока издает световой и звуковой сигналы. Чтобы обеспечить максимально высокую чувствительность улавливания утечки в устройстве учтена компенсация фоновых искажений, что дает возможность реагировать именно на те сигналы, которые были вызваны утечкой, на сверхчувствительных шкалах измерительного прибора ионного тока. Чтобы правильно выставить чувствительность, существует специальная гелиевая течь, калибрующая прибор.
Гелиевый течеискатель – использование, классификация, принцип работы, особенности
Течеискатели являются незаменимыми в процессе производства, так как оборудование этого типа позволяет своевременно предотвратить падение давления в системе и не допустить попадания опасных сред в окружающую среду. Есть масса разновидностей течеискателей, однако наиболее популярными считаются гелиевые агрегаты, которые используют в работе вакуумных систем, внутри которых в качестве рабочей среды применяются газы разных типов.
Разновидности течей
В любом оборудовании и производственных системах присутствуют преграды, которые не могут быть абсолютно герметичными на протяжении всего времени эксплуатации. Также материалы, из которых изготавливаются корпусы установок, далеко не всегда являются абсолютно паронепроницаемыми. Некоторые материалы и вовсе способны сублимироваться в условиях создаваемого вакуума при повышенных температурных режимах. Соответственно абсолютная герметичность невозможна независимо от высокого качества систем.
Сами течи классифицируются исходя из того, как сильно они способны повлиять на тот или иной технологический процесс. Поэтому выделяют течи, которые являются:
Течеискатели газа
Течеискатели или анализаторы-течеискатели нашли широкое применение в промышленности, но нередко используются и в быту, в том случае если в качестве топлива применяется газовая среда. Благодаря детекторам удается избежать образования в атмосфере метана, угарного, углекислого и других опасных для человека газов. Так как от утечки газа никто не застрахован, применяются специальные бытовые течеискатели, которые отличаются более простой конструкцией и меньшими габаритами в сравнении с промышленными моделями, масс-спектрометрическими течеискателями.
Как работает течеискатель
Принцип работы течеискателя может отличаться в зависимости от многих факторов. Важно учитывать, какой газ применяется в системе и, какова вероятность возникновения течи критичного типа. В некоторых ситуация, наоборот, нужно более чувствительное оборудование, которое способно обнаружить умеренно-критичные течи.
Нужно понимать, что если в установке используется горючий газ, то он не применяется в чистом виде. Как правило, в него добавляют специализированные примеси, которые наделяют газовую среду более резким запахом, который в случае течи может почувствовать оператор и провести диагностику агрегата, что выяснить локализацию течи и то место, где герметичность перегородки была нарушена. Принцип работы промышленного течеискателя заключается в работе специального внутреннего сенсора, который способен определить наличие утечки методом фотоионизационного детектирования. То есть используется газоанализатор, который способен улавливать пары определенного типа вещества.
Как работает течеискатель
Гелиевые масс-спектрометрические течеискатели
Гелиевый течеискатель может применяться только в том случае, если в масспектрометре есть вакуумная среда. Исходя из этого есть две разновидности таких детекторов: для работы с вакуумными установками и специализированные течеискатели-шнифферы. Последние применяются для фиксации течи тестовой газовой среды из самого тестируемого объекта в окружающую атмосферу. Также шнифферы считаются более дешевыми вариантами детекторов. Однако при этом они отличаются более низкой чувствительностью, чем модели, которые работают исключительно на вакууме. Вакуумные аналоги дополнительно комплектуются специальными защитными насадками, которые устанавливаются на входе. Благодаря этому такие агрегаты способны работать в режиме шниффера, что делает их более универсальными в применении. Они в 4-6 раз чувствительнее, но и обойдутся дороже.
Гелиевые масс-спектрометрические течеискатели
Устройство гелиевого течеискателя
Приборы этого типа оснащены несколькими ключевыми элементами. Прежде всего, это сам детектор тестового газа. Как правило, в качестве основного детектора, определяющего газовую течь, применяются специальные масс-спектрометрические ловушки, который состоят из:
Устройство гелиевого течеискателя
Также в системе есть насос, создающий так называемый предварительный вакуум. Для его генерации подходят форвакуумные насосы, производительность которых составляет не более 50 м3/ч. Если речь идет о портативном течеискателе, то такие модели, как правило, используется дополнительный и выносной насос для форвакуума. Также современные детекторы должны отвечать всем современным требованиям чистоты осуществляемых вакуумных процессов. В связи с этим начиная с конца 20 в. они оборудуются не только насосами масляного типа, но и безмасляными форвакуумными насосами, которые считаются экологически чистыми и могут применяться даже в пищевой промышленности или в условиях лабораторных исследований.
Дополнительно гелиевые течеискатели требуют наличия насоса глубокого вакуума. Этот элемент отвечает за лимит чувствительности оборудования. Раньше для этой цели преимущественно применялись пароструйные насосы, чья предельная чувствительность составляла 10-9 Вт. Однако более современные модели способны выдавать более высокие параметры, которые могут доходить до 10-12 Вт.
Для качественной работы оборудование требуется и система управления вентилями и трубопроводом. Она позволяет защитить детекторы от прорыва давления внутрь агрегата.
Особенности выбора течеискателя
Есть несколько параметров, на которые специалисты рекомендуют обратить внимание. Прежде всего, это точность анализа. В этом случае нужно определиться для бытовых или промышленных нужд будет применяться такой анализатор.
Предпочтение стоит отдавать тем приборам, которые способны нормально функционировать даже при условии сложных условий климата. Дело в том, что утечки обычно требуется локализовать не только в помещениях, но и в условиях улицы. То есть рабочая температура агрегата должна соответствовать пониженным температурам.
Особенности выбора течеискателя
При выборе портативных и бытовых приборов, лучше всего приобретать модели, которые могут на протяжении долгого времени выполнять свою основную задачу при условии питания от аккумуляторной батареи. Нормой считается способность производить анализ на протяжении 10-15 часов.
Цифровые приборы стоят дороже, но они значительно проще в использовании. Кроме этого, они позволяют передавать данные на компьютер и задавать необходимый уровень давления, который должен поддерживаться в системе даже при наличии течи.
Из производителей лучше отдавать предпочтение немецким и отечественным фирмам. Например, популярностью пользуется модель ПТИ-10. Это высокочувствительный гелиевый течеискатель, который отвечает всем производственным стандартам. Также много положительных отзывов получают течеискатель Inficon. Немецкая компания «Инфикон» специализируется на производстве высококачественного вакуумного оборудования, включая различные детекторы, датчики и дополнительные функциональные элементы.
Особенности настройки течеискателя
Если используется промышленный течеискатель, то сначала нужно сбросить систему подачи газа, которая в дальнейшем будет применяться в качестве тестового стенда. После этого нужно определить точный компонент, по которому необходимо настроить детектор. На следующем этапе выполняется настройка частотного диапазона. Нужно уточнить при каких параметрах течи, устройство должно оповещать о ее наличие. Остается произвести продувку течеискателя при помощи воздуха и начать подавать газовую смесь.
Гелиевый масс-спектрометрический течеискатель, устройство, принцип работы, назначение, поверка и ведущие производители
Гелиевый масс-спектрометрический течеискатель – один из популярных инструментов, предназначенных для улавливания течи в вакуумной системе, блоке криогенной установки. Устройство является обязательным атрибутом в любой лаборатории высокого вакуума или низкой температуры, так как является универсальными прибором, применимым ко всем видам контроля герметичности.
Устройство
Гелиевый течеискатель, сложный масс-спектрометрический прибор в состав которого входят:
Принцип действия
Портативный гелиевый течеискатель определяет протечку потоком гелия, который проникает в проверяемую ёмкость в процессе вакуумных испытаний. Либо потоком гелия, вытекающего из испытуемой ёмкости при избыточном давлении.
Принцип работы гелиевого течеискателя заключается в том, что под воздействием магнитного поля происходит накаливание вольфрамового катода ионного источника, который начинает имитировать электроны, ускоряющиеся при взаимодействии с электрическим полем, проложенным между катодом и корпусом ионизатора ионного источника. Стабилизаторы эмиссии в это время стабилизируют электронный ток катода.
Попадая в ионизатор электронный ток встречается с молекулами газа, который поступает сюда их испытуемого объекта или щупа, происходит процесс ионизации. Вновь образованные частицы ионов, под воздействием ускоряющего электрического поля, вытягиваются из камеры. Размер поля зависит от значения ускоряющего напряжения, которое может измениться для того, чтобы получить необходимую энергию ионного пучка. Поток ионов, выходя через диафрагму ионного источника, переходит в пространство дрейфа, где осуществляется их пространственное деление по массам.
Под воздействием постоянного магнитного поля, которое направлено перпендикулярно направлению движения, ионы движутся по круговым траекториям, радиус которых изменяется в зависимости от массы ионов.
В магнитном поле осуществляется процесс разделения ионных пучков, выходящих из источника, на отдельные пучки, которые содержат ионы с одинаковым отношением массы к заряду. В ходе изменения величины ускоряющего напряжения при неизменной напряжённости магнитного поля, может измениться и радиус траектории движения ионов этой массы. В течеискателях применяется анализатор со 180-градусным поворотом пучка и магнитной фокусировкой.
При этом траектория движения ионов от ионного источника к приёмнику ионов представлена в виде геометрической полуокружности. Радиус траектории ионов составляет приблизительно 25 мм при напряжённости магнитного поля в зазоре 0,17-0,25 Тл.
В результате происходит изменение ускоряющего напряжения, влияющего на настройку на «пике гелия», в которой в ионный приёмник поступают ионы гелия. В свою очередь коллектор соединённый с входом электрометрического усилителя, подаёт сигнал на усилитель постоянного тока, тот обрабатывает его программным обработкой и выводит результат на блок управления и индикации.
Назначение и применение
Течеискатели используются для проверки герметичности систем и объектов, предусматривающих откачку внутренней полости или заполненных гелием, смесью, содержащей гелий, обнаружения мест, где она нарушена. Универсальное, автоматическое устройство, способное выполнять предварительное откачивание или работать в режимах «прямых потоков» или «противотоков» с автоматизированным выбором нужного режима, осуществляемого блоком управления. Является индикаторным прибором, погрешность определения величины не нормируется. Поверка гелиевых течеискателей не выполняется.
Назначение и применение
В результате проведения проверки на герметичность, течеискатель соединяется с предварительно откачанной системой своей масс-спектрометрической камерой или помещается в специальный чехол, который заполнен гелием. Индикация течи прослеживается увеличивающимся сигналом, который вызывается повышенным давлением и взаимодействием ионных частиц.
Аппараты, внутреннюю полость которых невозможно откачать, тестируются в специальной камере (барокамере), с использованием методики чехла или щупа. При испытании по принципу барокамеры внутрь вводится гелий. Течеискатель подсоединяется к барокамере или линии предварительного разрежения её откачной установки.
Методика чехла и щупа так же подразумевает использование гелия.
Цели использования
В большей степени течеискатели применяются для следующих целей:
Гелиевые масс-спектрометрические течеискатели применяются только при наличии вакуума в детекторе устройства. Из этого следует классификация на 2 группы:
Ведущие производители
Широкий модельный ряд представлен устройствами российского и иностранного происхождения. Например, одним из наиболее удачных устройств отечественного производства является гелиевый течеискатель ПТИ-10, разработанный ещё в советский период. Из других брендов, можно отметить ещё несколько: