氦質譜檢漏儀主要是運用磁質譜理論和逆擴散理論及質譜分析方法,用氦氣作為探索氣體制成的檢測儀器。燈絲加熱發射出來的電子經過加速,在電離室內與殘余氣體分子和經被檢件漏孔逆擴散到電離室的氦氣相互碰撞使其電離成正離子,這些離子在加速電場作用下進入磁場,由于洛倫茲力作用產生偏轉,形成圓弧形軌道,其旋轉半徑
R=144/B×10-4(U×M/Z)1/2
式中:
R――離子偏轉軌道半徑(cm)
B――磁場強度(T)
U――離子加速電壓(V)
M/Z――離子的質荷比(離子的質量與電荷的比值)
由上式可知,當R、B為固定值時,改變加速電壓可使不同質量的離子通過磁場和接收縫到達接收極而被檢測。被檢測的氣體是固定的(He氣),即質荷比M/Z是已知的,因此只要調整好加速電壓,使He離子能通過接收縫到達接收電極,而使其他離子不被接收,接收電極接收到的He離子流經過放大后用于指示漏率。其他離子被全離子檢測極接收,經校準后用于指示質譜管內總壓強以便對燈絲實施保護。
由于能按工況條件檢漏,檢測靈敏度高,氦氣對被檢工件無污染易清除等優點, 氦質譜法真空箱檢漏技術已廣泛用于有密封要求的工業產品及其零部件的檢漏。本文介紹該項技術的原理與應用 ,討論影響檢測極限的因素,給出改進方法。
1 工作原理
工作原理如圖1所示:將待檢漏工件放入真空箱內,工件與氦氣源管道密封連接,蓋上箱蓋,開閥V1對真空箱抽真空,若在預先設定的時間內達不到規定的真空度,則視為有大漏,系統報大漏,更換工件。若能抽到預先設定真空值,開閥V2,對工件抽真空,當工件和真空箱都到指定壓力后,檢漏儀會自動啟動,然后關閉V1和V2,打開V5對工件充入氦氣(此值可設定),對工件進行泄漏檢測。當工件有泄漏時,工件內的氦氣就通過漏孔泄漏到真空箱內,從而被連接在真空箱上的檢漏儀檢測到。整個檢測過程是全自動的,系統最終自動判斷工件是否合格并顯示漏率值。
微漏檢測完成后,根據用戶需要系統可以自動進入回收程序。回收完成后,系統關閉V1、V2、V3和 V5并暫停檢漏儀,同時打開V6, V4,對真空箱和工件破空放氣,將工件取下,結束本次檢漏,如圖1所示。
2 漏率報警值的計算
此時顯示的是在某個充氣壓力下的氦氣漏率,需將其轉換還原到工件實際工作狀態下(工況)工作液的漏率,以判斷是否在合格產品允許的范圍內。
2.1 將液體漏率換算成汽漏率
根據阿伏加德羅定律,在標準狀態下(PO=1.01325×105Pa,溫度TO=273K),1克分子M(mol)任何物質均占有體積VM=22.41383升。故室溫T下液體年泄漏率Q (g/y)對應的汽漏率
例如,家用電冰箱20-30年使用壽命,允許制冷劑R22(分子量86.5) 1克/年泄漏率,按上式可計算出QV = 8.94×10-7 Pa.m3/s 。
2.2 轉換為充氦檢漏時的對氦氣的漏率
假定在常壓或正壓下,漏孔泄漏的氣流特性為粘滯流,流量與漏孔兩端的壓力平方差成正比,與流過物質的粘度系數成反比, 則氦氣的漏率
2.3 如果是液體(非汽)直接自工件的漏孔泄漏,則可先將其轉換為該漏孔對空氣的漏率
3 典型應用
表1所列,是我公司這些年在真空箱檢漏技術上應用的典型案例,可以看出,該項技術對容積相差很多的大小工件均適用。
4 討論
目前的真空箱檢漏技術已能滿足絕大多數工業產品的密封性檢測要求,做些改進,還可以進一步提高檢測極限,檢出更微小的漏。
因為在關閉V1閥后,有漏工件泄漏的氦真空箱內壁和工件外表釋放氣體中的氦(本底)都在上升,微小的泄漏氦往往被淹沒在本底中。提高檢測極限,就是在預設的檢測時間增高氦分壓,減低放氣本底,即提高信噪比。
所以, 實際的檢測系統在關閉主抽泵閥門V1后,真空箱還須連接一個與檢漏儀溝通的低抽速泵(維持泵),使氦本底不至上升過快。此時, 真空箱內工件泄漏氦氣的分壓
PHe=(qHe/S)[1-exp(-S/V)t]
式中,qHe是工件的氦氣漏率,S是維持泵對真空箱的抽速,V是工件與真空箱之間的容積,時間常數τ=V/S 決定氦分壓上升的速度,而趨于穩定的最終氦分壓為qHe/S 。
(1)保持內壁和工件外表的清潔和干燥,是減小本底的有效辦法。水是真空的大敵,水分子的極性吸附,使其難排除,會延長抽空時間,降低檢漏節拍。
(2)減小容積V, 加大抽速S,即減小時間常數,趕在放氣本底坐大之前,盡快建立起穩定的高于本底的氦分壓。加大抽速S,會減低氦分壓(qHe/S) ,減小容積V則是純利,故真空箱大小要按工件量體裁衣,亦可在真空箱與工件之間放置填充物,減少真空箱的有些內容積,提高檢漏節拍和檢測精度。
(3)提高真空箱的真空度, 這是減小本底的最有效辦法。因為真空度高低直接決定本底大小,現在的低真空泵能抽到1Pa左右,本底在10-7Pa.m3/s量級,若用高真空泵對真空箱抽真空,提高真空箱的真空度到10-3Pa ,可望降低本底到10-9Pa.m3/s,最小檢測漏率下延約2個量級。但在高真空下,關閥V1后本底上升更明顯, 要選擇合適抽速(S)的維持泵, 在氦信號與本底之間折中。