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氦质谱检漏仪的检漏方法


氦检漏技术的应用

1. 2. 3. 4. 5. 6.

检漏仪的应用 通常在检漏时容易遇到的问题 漏率的计算,定义和单位 检漏的方法 氦检漏仪的检漏方式 检漏时间

8. 9.

氦质谱检漏仪的内部构造 氦气污染

10. 自动校准 11. 氦质谱检漏仪的选择 12. 检漏前的

准备和检漏的注意事项 13. Alcatel 氦质谱检漏仪

1. 检漏仪的应用

之后,检漏变得越发重要,尤其: 为了防止系统内介质漏到系统外(污 染环境)或系统外介质漏到系统内( 影响系统操作);

用于检测一些不紧固的元器件

检漏仪的应用

检漏仪的应用

? 电子和电力行业

灯泡 灯管 变压器 断路开关

? 半导体行业

? 汽车行业 ? 医药行业

流量计 集成电路 气体管道 显示

起搏器 导管 输血管 药物包装

安全气袋 罐和管道 空调 减震器 前灯 散热器 车轮 传感器

? 食品包装行业

? 其它容器

? 飞机制造行业 ? 航天

发动机 天线 腔

液压元件 回旋装置 机翼 导弹

?核技术
元器件

? 钟表行业 ? 物理研究所

粒子加速器

通常在检漏时容易遇到的问题

氦质谱检漏仪的检漏方法 检漏仪中的高真空泵
检漏仪早期甚至有用到扩散泵作为高真空泵, 但是缺点非常明显: 1. 2. 油的返流造成污染(要加Trap) 油加热装置的不稳定容易造成泄露率显示 的不确定

采用分子泵则有点明显: 1. 2. 无油,非常洁净的真空 稳定的转速,非常利于在所能检测的最低 值附近来确定泄露率的大小

氦质谱检漏仪的检漏方法 检漏时常遇到的问题

被测件

He

检漏仪 辅助泵

氦质谱检漏仪的检漏方法 检漏时常遇到的问题

被测件

检漏仪

高真空泵 罗茨泵

究竟应该把检漏仪安装 在哪个位置???

He

前级泵

漏率的计算,定义和单位

流量的定义

? ?

流量体现的是在单位时间下 流体分子数的多少 对于液体而言:
?

流量 = 液体泵的抽速

流量 =

体积 时间

?

而对于气体而言:
?

流量 = 泵的抽速 x 压力

流量 =

体积 x压力 时间

流量的定义
?

所以,在10bar下一升气体与在1bar下10升气体所含的气体 分子数是相同的

1升

=

10 升
AIR

10 bar 1 bar

流量的定义

当我们在海平面高度下跑步 : ? 丝毫没有任何问题

我们的肺就象一台泵 : S = 4 l/s 泵的抽速是 4 l/s

虽然泵的抽速并没有发生变化 : 4l/s, 但是在山上的压力要比海平面的压力 要低很多 但是当我们在海拔很高的山上跑步时 : ? 我们就觉得呼吸不过来了 ?所以,吸氧量(流量) 自然就大不相同了

流量的定义 流量
Pa F=Pa x Sa

在每一个 截面上, 气体的流 量都是相 同的

Pb F=Pb x Sb Pc c
0 1

F=Pc x Sc

21

漏率的计算

虽然确切的计算泄漏量很难,但 是可以用以下公式进行初步的估 算(层流,20摄氏度空气):
Qpv = 135 x d4/L x(Po2-Pi2)/2
其中,d-漏点的直径,L-漏点的长度,Po-高压端压 力,Pi-低压端压力

漏率的定义和单位

针对于一个体积(V)不变的容器,单位 时间(Δt)内压力的变化量(ΔP)与该容 器体积(V)的乘积就是泄漏量: Q leak = V x ΔP / Δt 因此,泄漏量的单位通常用mbar l/s(也可用 Pa m3/s , atm cc/s 或 Torr l/s)

漏率的定义和单位

真空系统中漏气/虚漏与抽气之间的平衡 真空系统中漏气流量的平衡表示式如下: P =(Qo +∑Qi)/S +Po
P-----系统达到的压力 Po—真空泵的极限压力 S-----真空系统的有效抽速 Qo---由系统外部流向系统内部的总漏率 ∑Qi—虚漏所形成的总漏率(如材料表面出气等)

漏率的定义和单位

看! 一个气泡!

例如: 假设对于一个体积 为10升的容器,压力在80 秒内的变化为2mbar,那 么漏率

Q = 2 mbar x 1 liters = 0.25 mbar . l/s. 80 seconds

漏率的定义和单位
mbar. liter/second

?

漏率其实反映的是在一定时间内从泄漏的气体分子的数量.

例如: 假设漏率为 1mbar.l/sec (20°C的空气) 每秒将会有2.5*1019 个空气分子逃逸 !!!
时间

压力 = 1000 mbar 压力 = 1 mbar

25.000.000.000.000.000.000 个空气分子/秒

*

漏率的定义和单位
漏率的不同单位

漏率反映的是气体的流量, 例如 在某一个特定压力下(Pa, atm, mbar, torr)的体积流量(m3/s, cc/s, l/s)
atm.cc/s ? mbar.l/s ? Pa.m3/s ? Torr.l/s ?

10-9 mbar.l/s = 10-9 atm.cc/s = 10-8 Pa.m3/s = 7,5.10-8 torr.l/s

不同应用对漏率的要求

电子行业
薄膜技术 集成电路

漏率 mbar.l/s (氦气) 电力行业
灯泡 断路器

汽车行业 航天 医药行业
起搏器 泵 回旋装置 气囊 减震器 过滤器 压缩机

工业应用

制冷
冰箱 空调

钟表行业

研究所
粒子加速器 核聚变

航空
Airplane tanks

飞机制造业
导弹

食品包装 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

检漏的目的

因此,检漏的目的在于

将泄漏降低到一个可以接受的,不 影响系统正常运行的程度!

检漏的方法

不同的检漏方法
被测件内部压力 > 1000 mbar 被测件内部压力 < 1000 mbar

检漏的方式

对被测件内部打压
FLOW

正压 :

真空 :
对被测件抽真空
Air/test gas
FLOW

Test part pressurized with test gas

Test part vacuum inside

Air

气泡法检漏

被测 件

水泡法,最多可 测到10-4mbar.l/s; 检漏完毕需要干 燥;且被测件很大 的话就更困难!

将打压后的被测件浸在水槽里,气泡 可以反映漏率的大小

也可以采取肥皂泡法,通常在5分钟内出现1mm半 径的肥皂泡,其漏率约为10-5mbar l/s

压降法检漏
压缩空气或 抽真空

被测 件
将被测件加正压或抽真空到一定的压力,然后关闭 阀门,通过真空计观察单位时间内的压力变化

打正压的 压降法可 以检测到 1mbar l/s以 上的漏率

而采用抽真空的压降法可以作为对漏率大小的评估,但是,该 方法评估的不仅是泄漏,也包括释气。而且,如果漏率较小时 (< 10-4mbar l/s),在粗真空下观察压降会消耗很长时间,但 在中真空下观察又会受释气的影响!

压降法检漏

? 假设一个瓶子的体积为1升 ? 该瓶子的初始压力为4bar ? 用压降法观察压力下降到3bar时所用时间 ? 假设漏率为 10-7 mb.l/s

压力从 4bar 下降到 3 bar 需要大约317年的时间!!

气体检测法检漏

卤素检漏仪

氦质谱检漏仪 (最为常用和普遍)

氨气检漏法

氦质谱检漏仪检漏
质谱仪可以根据m/e=4的原则捕捉到被电离的 氦气分子,从而获得漏率的大小
泄漏 !

He
He气流 氦质谱检漏仪

为什么要选择氦气作为被测气体

无毒 不能燃烧

价格不昂贵 很轻

等等

氦气
化学性质不活泼 气体分子小

部分检漏法可检漏率比较

漏率 , 单位 atm .cc3 /second
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10+0 10+1 10+2

? small ? lea

? Industrial ? le

ks

10-7

aks

10-3

? big ? leaks

气泡法检漏 压降法检漏

氦质谱检漏仪检漏

逐步区域检漏:喷氦式检漏

? 将被测件抽真空 ? 用喷枪对被测件表面喷氦 ? 检测进入被测件的氦流量

He
He

主要的优点 ? 非常高的灵敏度 ? 比较便宜

被测 件

ASM 142

逐步区域检漏:吸枪式检漏
? 对被测件内部进行充氦 ? 用吸枪在被测件表面缓慢移动,采样逃逸的氦气 主要的优点 ? 可以很好的检到漏点位置, 且易于操作 ? 不需要将被测件抽真空

He

被测 件

He

总漏率检测:真空法检漏

? 将被测件充氦,然后放置于 一个与检漏仪相连的真空腔内 主要的优点 ? 非常高的灵敏度 ? 可以连接辅助泵,从而提高 生产量
He

被测件

He
ASM 142

总漏率检测:吸枪式累积检漏

? 将被测件充氦,然后放置 于一个与吸枪探头相连的累积 腔内
He

主要的优点 ? 总漏率检测,可靠 ? 相对而言成本较低

被测 件
He

ASM 142

总漏率检测:背压式检漏

? 第一步 : 将被测件放置于一个充氦 的腔内 ? 第二步 : 将被测件放于通风处(去 除表面累积的氦,以防影响之后的检 测精度 ? 第三步 : 将被测件放置于一个与吸 枪探头相连的腔内 主要的优点 ? 总漏率检测 ? 相对而言,成本较低

1
He

2

3

不同检漏法的灵敏度比较
He
He

He
ASM 142

被测 件 被测 件
ASM 142

He

与吸枪法相比,喷枪式或真空法检漏的灵敏度更 高,因为在大气中还含有5ppm的氦气

氦检漏仪灵敏度的概念
氦检漏仪灵敏度在我国用最小可检漏率来表示: 最小可检漏率的定义是指在满足如下条件下----(1)仪器处于最佳工作条件下 (指:被检件出气很小;无较大漏孔;仪器参数调至最佳状态) (2)以1atm的纯氦作为示漏气体 (3)动态检漏时所能检出的最小漏孔的漏率 (指:检漏时不用累积法;仪器本身的真空系统仍在抽气;仪 器反应时间小于1秒).

*

氦检漏仪的灵敏度
低灵敏度

一个容积为 1 升的自行车轮胎如果在24小时内气就漏光的话 漏率为 3,5.10-2 mbar.l/s = 每秒有3 个 半径 2 mm 的气泡

*

氦检漏仪的灵敏度 高灵敏度

一个含 30 g 气体的打火机, 全部的气体漏光则需要 5 百万年, 漏率为 1.10-11 mbar.l/s

*

不同检漏仪连接方式的优点

被测件直接与检漏仪 连接. 优点 :
? 到达可以检漏的压力所需时间 (+) ? 灵敏度 (++) ? 响应时间 (+) ? 恢复时间 (+)

检漏仪和辅助泵并联.

将检漏仪连接在分子泵的 排气口.

优点 : ? 到达可以检漏的压力所需时间 (+ +) ? 灵敏度 (+) ? 响应时间 (+ +) ? 恢复时间 (++) 优点 : ? 到达可以检漏的压力所需时间 (+ +) ? 灵敏度 (+) ? 响应时间 (+ +) ? 恢复时间 (++)

*

检漏时间

抽气时间的计算

t:秒 V:升 S : 升/秒 P1 : 初始压力 P2 : 最终压力 (测试压力)

压力

P1

P1 V t = 2.3 log10 Sair P2

这个公式可以计算要达到检漏仪 测试压力所需要的最基本的时间 .

P2

Time

捕捉到氦信号的所需要的响应时间
氦信号
被测件

He

时间
检漏仪

当氦气进入被测件后,检漏仪并 不是立即就能够捕捉到信号的!

t = V/SHe t = 3V/SHe

63%的氦信号

V t = 2.3 SHe

t:秒 V : 被测件(包括管道 )的体积 SHe : 检漏仪的氦抽速

95%的氦信号

90%的氦信号

氦信号消失所需要的响应时间

氦信号
被测件

F1

t = 2.3

V F1 log10 SHe F2
时间

He

F2
检漏仪

t t:秒 V : 升 (被测件体积) SHe : 检漏仪的氦抽速 F1 : 初始氦显示 F2 : 最终氦显示 (背景)

当不再有氦气进入被测件,氦信 号也并不是立即就会消失的

缩短响应时间的方法

通常,缩短响应时间的方法就是增大 抽速:
被测件

1/ 增加一台辅助泵 2/ 选择更大氦抽速的检漏仪 增加辅助泵会造成氦气的分流

He

t (90%) = 2.3 V/(SHLD+Saux) 检漏仪 辅助泵 QHLD = Qleak x SHLD/(SHLD+Saux) 其中,SHLD-检漏仪抽速,S aux-辅助泵抽速, QHLD-检漏仪显示漏率,Q leak-实际漏率

氦质谱检漏仪的内部构造

氦质谱检漏仪的工作原理
氦质谱检漏仪的核心部件: ? 是一个检测氦气分压力的真空计 : ? 该真空计也称为质谱仪或分析仪. P He : 真空计测得的氦气 分压力

检漏仪进气口 泄露造成的氦气流量

SHe : 检漏仪的氦抽速

Q He = P He x S He 氦气流量的测量是一种间接的方式

质谱仪的工作原理
重离子靶 ? 用于测量总压

氦离子

通过永久磁场控制离子和电 子不逃逸

输出信号和氦 气的分压力成 正比


加速度电压 电离腔 放电电流

放大器

Filament

氦质谱检漏仪的运行原理

进气口 质谱仪 细检模式阀门 分子泵

放气阀

皮拉尼真空计 吸枪 分子泵排气口
He

校准

粗抽阀门

前级泵

氦气污染

什么是氦气污染?
如果大量的氦气进入到检漏仪中,探测器有可能遭到污染, 从而氦气本底就会比通常情况要高 因此,清除检漏仪中的氦气相当重要 . 但是,一般要怎么做呢? ? 等待氦气被泵抽走 ? 用氮气或是用空气进行吹扫 ? 通过使用检漏仪上的“防止污染”功能避免大量氦气进入检漏 仪;使用此功能后,当氦气信号太高时,就会自动停止测试。

我应该选择哪一种检漏仪呢?

氦检漏仪的性能 氦检漏仪的性能衡量主要是通过以下参数 :

? ? ? ? ? ? ?

初抽的能力: (m3/h) 检测允许的最大进气口压力 : (mbar) 进入检测模式所需要的时间: (s) 氦抽速: (l/s) 灵敏度 , 最低可测的氦信号: (mbar.l/s) 响应时间: (s) 恢复时间: (s)

氦检漏仪的性能
检测允许的最大进气口压力 :

?

将决定进入检测模式所需要的时间

氦检漏仪的性能

进入检测模式所需要的时间 :
是由初抽能力和检测允许的最大压力共同决定的: 例 1: 检测允许的最大压力 = 10 mbar 初抽能力 = 10 m3/h 进入检测模式(粗检)所需要的时间 = 4.6 秒 例 2: 检测允许的最大压力 = 25 mbar 初抽能力 = 5m3/h 进入检测模式(粗检)所需要的时间 = 7.4 秒
压力 (mbar) 25

10

4,6

7,4

以上例子中,被测件体积为10升

时间 (s)

*

进入检测模式所需要的时间
其他可能会影响检测时间的参数 : 腔体的脱气以及非常大的泄漏.

?

例如:
?


– –

1000mbar 压力下的 1g 水 会在 10-2 mbar 压力下释放出大约 100升水蒸汽

1E-2 mbar

? ?

材质本身 (就有气体吸附在表面或内部) 漏入空气


焊接问题, 螺纹连接, 固定O型圈的凹槽等 ... 油, 脂, 溶剂等 ...
Vapor

?

其他


Liquid

*

氦检漏仪的性能 高的氦抽速将意味着 : 快速的响应时间 快速的恢复时间 快速达到一个低氦气本底的时间 测试大体积的被测件而又保持高灵敏度的能力

氦检漏仪的性能

响应时间 :

当对被测件喷氦时,质谱室并不是马上就能够检测到氦信号的 :

?

响应时间取决于被测件的体积 V 以及整个系统在被测件连接 处的氦抽速 S. 响应时间V/S反映了获得63 % 氦信号所需时间 .

氦检漏仪的性能
快速清除时间 - 恢复时间
恢复时间则意味着检漏仪在获得一个氦信号之后再恢 复到要求的灵敏度所需要的时间.

11 12 10 9 8 7 6

1 2 3 4 5

氦检漏仪的性能

开始检测 !!!

进气口压 力

检测允许的最大进气口压力 => 进入检测模式 响应时间 => 能够发现泄漏信号所需要的时间
压力

氦信号

氦信号

恢复时间 => 能够进行下一个检测所需 要的时间间隔

泄漏 !
灵敏度 / 本底 => 可以检测的最小氦信号

检漏前的准备以及检漏的注意事项

清洗和干燥
He 如果漏点被油脂,水或各种 各样的沉积物,粉尘或颗粒 覆盖的话,氦气将无法通过 漏点被检漏仪捕捉!!!

? 对被测件进行清洗

? 清洗完后需要干燥

其他准备工作

? 对检漏仪进行灵敏度校准,并确定 检漏系统的反应时间

? 查看图纸,熟悉被检部件; 了解需 检漏点及可能发生泄漏的部位

? 检漏系统管路应良好密封连接,尽 量避免使用真空脂.

喷氦式检漏法的注意事项
? 应考虑被检件耐负压的性能 ? 掌握适当的喷氦时间.太短则灵敏 度太低;太长则检漏工作速度太慢并 浪费氦气. ? 对大腔体或长管路检漏时, 可先用 漏孔装于远端大致观测检漏仪氦信 号响应时间,以确定观测等待时间. ? 检漏次序:从上往下,由近往远逐 点进行喷吹. ? 粗检时用大口径喷嘴使氦气流的 覆盖面积大些,找出漏点所在的区域 后,改用小口径喷嘴寻找漏点的准确 位置.

喷氦式检漏法的注意事项
? 检出的大漏孔要经修补后再去找 小漏孔. ? 当存在两个相距很近的可疑漏点 时,应先将一个点盖住,再用最细的喷 嘴喷吹另一点. ? 当喷嘴喷吹某一点时,如果检漏仪 指示有变化,但其上升速度很慢且指 示值很不一致,这表明临近的其它地 方有大漏. ? 检出漏孔后,还应再作几次复检. ?检漏场地要有良好的通风条件,但 不应影响喷嘴喷出氦气流的方向. ?并避免大量的氦气污染被检环境

吸枪式检漏法的注意事项
? 应考虑被检件耐正压的性能 ? 检漏次序:从下往上,由远往近. ? 移动速度应缓慢;吸枪距表面1CM 左右为佳,过远则灵敏度降低,过近则 容易吸如表面附着的粉尘易造成吸 枪过滤芯的堵塞. ? 检漏仪指示有漏时, 漏孔不一定在 吸嘴所对的位置, 在此范围内,减小吸 枪移动速度及距离并反复查找以确 定漏孔的准确位置. ? 初检时,被检件勿充入高浓度/高 压力氦气, 因如有大漏孔则大量氦气 泄漏出被检件,造成较大浪费并严重 污染环境本底,给检漏工作带来很大 干扰.

吸枪式检漏法的注意事项
? 大漏修补后,再充入高浓度/高压 力氦气,对小漏孔进行检查. ? 检漏完毕后,应将被检件内的氦气 回收或排出室外,并注意检漏场所的 通风. ? 吸枪置于未受氦污染的空气中时, 检漏仪应显示5x10-6 mbar.l/s的漏率 值(此为空气中氦气浓度5PPM). ? 吸枪法检漏时其灵敏度受诸多因 素影响:漏孔的形状,吸枪相对于漏孔 的距离,吸枪相对于漏孔的夹角,吸枪 移动的速度,吸嘴的形状,吸枪的吸气 能力,空气中氦本底浓度的大小及稳 定情况等.

? 为缩短反应时间,尽可能使用较短 的吸枪软管.

THANKS


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