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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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