Erbjudande

Vi bygger stationer för täthetsprovning

Det finns inga prefekt täta föremål men det går dock att uppnå en mycket hög täthetsgrad som anges i säkerhetsstandarder (vilket är särskilt viktigt vid enheter som använder explosionsfarliga eller giftiga gaser) eller produktstandarder som fastställs av konstruktörer så att föremålet fyller avsedd funktion. Vi kan konstruera och bygga täthetsprovare som upptäcker läckage i enlighet med i beställningen angiven standard.

Otäthet (läckage) är en egenskap som är typisk för varje tank (kärl), oavsett om det är en spolarvätsketank eller högvakuumenhet som används inom halvledarindustrin. Ur applikationens synpunkt är det väsentligt att svara på frågan om acceptabelt läckagevärde vid vilket tanken fortfarande fyller avsedda funktioner. Under detta värde fastställer vi en nivå av avvisade felaktiga produkter. Otäthet (läckage) hör till de begrepp vars måttenhet alltid har ett värde som är högre än noll.

Det finns tre typer av otätheter:

verkliga, skenbara och de som beror på att gasen tränger igenom tankväggarna (kärlväggarna). De verkliga otätheterna beror på hål, springor eller kanaler som sammankopplar områden med olika tryckvärden och möjliggör gasflöde mellan dessa områden. Sådana otätheter förekommer oftast i närheten av anslutningar och ofta beror på konstruktions-, teknologiska eller monteringsfel samt i få fall – dolda materialfel.

skenbara uppstår i samband med närvaro av gaser som absorberats på tankens (kärlets) invändiga väggar, gaser som fångas upp i mikroporer, rester av smörjmedel, lösningsmedel och andra föroreningar av organiskt ursprung. De skenbara otätheterna spelar en viktig roll vid högvakuumsteknik (och högre – tryck understigande ~10-3 mbar), det vill säga ex. tekniker som kräver en hög processrenhet (ex. avlagring av metallångor).

otätheter som beror på att gasen tränger igenom tankväggarna kan oftast förbises med hänsyn till teknikval.

I tekniken anges ofta otäthetens värde med måttenheter för gasflöde. De enheter som oftast används är: [W = Pa · m3/s], [mbar · l/s], [mol/s] och [Tr · l/s].

Metoderna för detektering av otätheter kan delas in i vakuum- eller tryckmetoder beroende på om gastrycket inuti det provade objektet är lägre eller högre än det atmosfäriska trycket.

Vissa av dessa metoder gör det möjligt att lokalisera läckage medan andra endast medger mätning av läckagevärdet.

Minsta läckagevärdet som upptäcks med en viss metod anger metodens känslighet.

Unitem utnyttjar följande metoder i sina stationer för täthetsprovning:

FLT – FAST LEAKAGE TEST

Akustiska metoder

Metod med luftbubblor

Metod med långsam tryckförändring (tryckfallsmetod, differential metod)

Metoder som utnyttjar spårgaser

Vakuummetoder med spårgaser

Tryckmetoder med spårgaser

FLT – FAST LEAKAGE TEST

Täthetsprovning av komponenter med värmekamera

Den populäraste tryckmetoden för täthetsprovning som används inom bilindustrin är metoden av långsamma tryckförändringar. En väsentlig begränsning av metoden utgörs av att läckageplats inte visas. En annan nackdel utgörs av den mycket långa mättiden (minst några tiotals sekunder) för detaljer som betydligt deformeras till följd av tryckluftsmatning. Som exempel kan nämnas komponenter såsom oljetråg, plasttankar för olika vätskor eller gummislangar.

En metod som saknar ovanstående nackdelar är den termografiska metoden som tagits fram av Unitem. Metoden visar läckageplats och är inte känslig för tryckförändringar inuti det provade objektet till följd av dess deformeringar (efter inmatning av trycksatt gas) vilket medger en betydlig förkortning av mättiden. Termografiska täthetsprovare åtskiljer täta komponenter från otäta genom att ange traditionell information OK och NOK. Optionellt finns det möjlighet att se termogram för att lokalisera otätheten. Nedan visas exempel på resultat från täthetsprovning av olika komponenter från AutoMotive-branschen  och hushållsapparater.

Fig. 1. Täthetsprovning av slangbeslag för slangar som monteras i bilars kylsystem a) vy provat objekt, b) i området AR01 syns otäthet.

Fig. 2. Täthetsmätning av slangbeslag a) vy korrekt utförd anslutning b) upptäckt otäthet (svarta punkter i den termografiska bilden)

Fig. 3. Tank a) polymertank som monteras i bilar, b) termogram och c) exempel temperaturförlopp

Fig 4. a) Termografisk bild av lokal otäthet (röd punkt) i en membran av rostfritt stål samt b) exempel temperaturförlopp vid stötartade tryckförändringar (cyklisk ökning och fall Δp)

Fig. 5. a) Stomme av en elpatron som används för uppvärmning av vatten i kaffemaskiner och b) vy efter demontering, c) synlig otäthet i profileringen på ett av anslutningsrören (grönt temperaturförlopp och rött område i den tergografiska bilden)

Fig. 6. Exempel på förlopp och termogram med läckageplats (NOK). Provat objekt: tryckluftsslang

Akustiska metoder

Akustisk detektering av otätheter utnyttjar ljud- eller ultraljudsenergi som genereras av expanderande gas. Metoden är mycket enkel och snabb men uppvisar en låg känslighet – läckage upp till 10-2 mbar · l/s. När läckageplatsen täck över med skum eller vatten kan känsligheten ökas till 10-4 mbar · l/s. Metoden är både en vakuum- och tryckmetod.

Metod med luftbubblor

Metoden med luftbubblor är en av de populäraste tryckmetoderna. Det finns två varianter av denna metod. I den första pumpas det provade objektet till ett tillräckligt högt tryck och doppas ner i vatten varvid läckageplatsen lokaliseras med hjälp av uppkommande luftbubblor. I den andra varianten beläggs objektet med ett tunt skick av vattenlösning av tvål eller diskmedel  varvid objektet pumpas upp och platser där tvålbubblor uppstår observeras. Känsligheten av metoden med tvåbubblor uppgår till ca 10-4 mbar · l/s och för metoden med doppning av det provade objektet ligger på ca 10-3 mbar · l/s. I doppmetoden påverkas trovärdigheten i en hög grad av bl.a. belysning av vattentanken, vattnets grumlighet, otäthetens placering och därför är metodens känslighet något sämre.

Båda varianterna trots att de verkar vara enkla vålla ofta många olägenheter. Vid doppmetoden ökar problemen i takt med de provade objektens mått och vikt, särskilt med tanke på att de måste torkas upp ordentligt efter provningen. Vid den alternativa varianten är borttagning av den tidigare påförda lösningen ofta arbetsamt och därmed kostsam.

Källa 8: https://detectorbuy.com/372h-33

Metod med långsam tryckförändring (tryckfallsmetod, differential metod)

Täthetsprovning med luftbubblor med användande av avsett medel.

Typiskt tryckdiagram vid täthetsprovning. Förloppet har 4 karakteristiska faser: påfyllning, stabilisering, test och lufttömning.

Källa: https://www.cincinnati-test.com/pressure-decay-dp-and-dp/dt

Beroende på det bildade tryckvärdet inuti det provade objektet räknas metoden med långsam tryckförändring till vakuum- eller tryckmetoderna. I båda varianter låter den bedöma objektets täthet, dock utan lokalisering av eventuellt läckage.

Metodens känslighet vid vakuumvarianten beror på mätområdet och noggrannheten av den vakuummätare som används. För joniseringsvakuummätare (pmin = 10-6 Pa) uppgår registrerade otätheter till 10-6 mbar · l/s. Funktionsprincipen för tryckvarianten skiljer sig bara med det att det provade objektet pumpas upp till ett tryck på några atmosfär och efter urkoppling av kompressor mäter man hastigheten av tryckfallet –Δp/Δt som beror på de verkliga otätheterna (tryckfallsmetoden).   Känsligheten av de använda tryckmätarna uppgår oftast till ca 100 Pa (den minsta upplösningen vid mätning uppgår till 0,01 Pa för de dyraste mätinstrumenten) och därför är känsligheten hos denna variant några storleksordningar mindre än hos vakuumvarianten.

Den uppmätta tryckdifferensen (ΔP = P2 – P1) påverkas av några faktorer:

läckage

volymskillnad ΔV

temperaturskillnad ΔT

Därför vid användande av tryckfallsmetoden måste man ta i beaktande inverkan av temperaturändringen ΔT och inverkan av volymändringen ΔV på värdet av det uppmätta tryckfallet ΔP. När metoden används i en tillverkningslinje måste man vara medveten om inverkan av de ovanstående fysiska storheterna på mätningens slutresultat. För att eliminera inverkan av dessa faktorer ska tryckfallsmetoden i differentialvarianten användas. Med andra ord, differentialmetoden låter kompensera volymskillnader ΔV och temperaturskillnader ΔT.

I differentialmetoden utgörs en av de grundläggande lagarna av Mariott-lagen (Boyle-lagen) som för de perfekta gaserna har följande form:

P V = n R T

där: P [Pa] – tryck, V [m3] volym, n – antal mol (substansmängd), R – konstant för perfekta gaser (R = 8,31 J/mol·K), T [K] – temperatur.

Efter iakttagande av inverkan från temperatur- och volymändringen får vi:

(P+ΔP)(V+ΔV) = n R (T+ΔT).

Tankvolymen V består av: den provade komponentens volym, volym av anslutningsrören till tanken, volym och rör och rörarmatur inuti mätanordningen.

Fig. 10. Täthetsprovning med tryckfallsmetoden med användande av referensobjekt.

 

I figuren visas mätningsprincipen med tryckfallsmetoden med användande av referensobjekt (ett objekt med acceptabel täthetsnivå) tillverkad av samma material med samma mått (volym, konstruktion) som det provade objektet. Båda objekten är placerade i samma klimatförhållanden (temperatur, tryck). Tack vare denna inställning till mätningen är ΔT- och ΔV-värdena samma för det provade objektet och referensobjektet och tar ut varandra utan att lägga till något i mätresultatet som visas av anordningen för täthetsprovning.

Metoder som utnyttjar spårgaser

Metoder som innebär att man matar in utvalda gaser (spårgaser) till provade tankar och spårar deras flöde genom otätheter med hjälp av detektorer. Spårgaser måste uppfylla en rad krav: de ska inte vara kemiskt aktiva, giftiga, ska inte förekomma (i stora mängder) i atmosfären och ska inte vara explosions-/brandfarliga samt ska kännetecknas av högsta möjliga diffusionskoefficient i förhållande till andra gaser. Den enda gasen som uppfyller ovanstående villkor är helium och det används mycket ofta. Ibland används väte som spårgas (oftast blandningar upp till 5% väte med kväve som inte är explosionsfarlig) eller något av freonerna (numera väldigt sällan). Väte uppfyller inte en del av de ovan ställda kraven men dess diffusionskoefficient har ett högt värde och därför det används. Metoden för provning av otätheter med utnyttjande av spårgaser kan användas som vakuum- eller tryckmetod.

Metod med långsam tryckförändring (tryckfallsmetod, differential metod)

Typiskt tryckdiagram vid täthetsprovning. Förloppet har 4 karakteristiska faser: påfyllning, stabilisering, test och lufttömning.

Källa: https://www.cincinnati-test.com/pressure-decay-dp-and-dp/dt

En tank som provas med tryckmetoden med användande av spårgaser fylls upp (oftast med en blandning av helium eller en annan spårgas med luften) till ett tryck som överskrider det atmosfäriska trycket, oftast upp till 2 – 5 bar. Detektorns slutstycke (med eller utan sugstycke) läggs sedan mot de provade tankytorna, särskilt till alla sorters anslutningar (i synnerhet löstagbara och fasta) för att upptäcka läckage. När spårgasen kommer till detektorns sensor indikeras dess närvaro. Metoden kräver en ganska komplicerad detektor:

  • helium läckagedetektor med masspektrometer
  • vakuumsystem för att hålla ett lämpligt lågt tryck i spektrometern (ofta turbomolekylär pump + förvakuumpump)
  • ventiler som kontrollerar respektive etapper av mätcykeln
  • elektronisk styr- och mätsystem

Metodens känslighet för de bästa lösningarna uppskattas till 10-7 mbar · l/s. Kom ihåg att tryckmetoden inte medger någon exakt uppskattning av läckageflödet.

Ovanstående metod används också i en betydligt förenklad variant där vi får information om läckagets läge men storleken av läckaget uppskattas på basis av den matade spårgasens värde i ppm (eng. parts per miljon).  Detektorer av denna typ är ofta utrustade med sugstycken och kostnaden för utrustningen är ojämförbart lägre än vid metoden med masspektrometer. I denna variant får vi tyvärr inte någon information om gasflödeshastigheten genom otätheten.

Vakuummetoder med spårgaser

Vakuummetoden med användande av spårgaser kräver att en masspektrometer ansluts till den provade tanken och hela arrangemanget pumpas ut till spektrometerns arbetstryck. Spektrometerns konstruktion är designad så att den endast detekterar spårgasens partiklar. Gasflödet riktas sedan mot alla anslutningar i tanken. Om gasflödet riktas mot en otäthet tränger gasen in i apparaturen och sedan vandrar vidare till spektrometern som registrerar dess närvaro. I denna metod kräver mätning av läckageintensiteten en viss tid (beroende på tankvolymen och pumpningshastigheten) men själva otätheten kan lokaliseras mycket tidigare. Lokalisering av varje nästa otäthet kräver att spårgasen (ex. helium) som matats in i tanken vid tidigare provning pumpas bort. Tid som krävs för att ta bort helium kallas för ventilationstid. Reaktions- och ventilationstiden kännetecknar vakuumsystemets tröghet vid pågående förändringar och måste tas i beaktande vid detektering av otätheter.

En professionell läckagedetektor är utrustad med ett kvadrupolmassfilter samt ett autonomiskt pumpsystem med turbomolekylär pump och vakuumpump vilket gör att systemet är relativt dyrt.

Känsligheten av den beskrivna metoden (minsta värdet av registrerat flöde) är mycket hög och uppgår oftast till 10-11 mbar · l/s.

Fig. 11. Helium läckagedetektor ASM 340 av fabrikatet Pfeiffer Vacuum

Källa: https://www.west-technology.co.uk/vacuum/2019/01/24/helium-leak-detection-part-2-spray-testing/

Metoder Tryckmetoder Vakuummetoder Läckage Metodens känslighetsområde[mbar · l/s]
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11
Akustiska Klassisk X X X
Belagd med vatten eller skum X X X
Metod med luftbubblor Klassisk X X
Nedsänkning X X
Metoder som utnyttjar spårgaser X
X
Tryckmetoder med spårgaser X X
X X