Helio 101: aprovechando al máximo la traza

Tabla 1: Composición de la Atmósfera de la Tierra

Tabla 3: Métodos de prueba de gases traza más comunes

Tabla 2: Detectores de fugas más comunes

Figura 4: Análisis CFD de flujo de aire de piezas en una cámara de acumulación para mapear puntos ciegos

Figura 3: Sistemas de prueba de fugas de acumulación

(izquierda) Figura 5: Sistema de prueba de gas portador

(derecha) Figura 6: Tecnología de purga de nitrógeno

La prueba de fugas con helio es uno de los miembros más antiguos y desarrollados de la familia de métodos de prueba de fugas basados ​​en gases traza. Aunque el título contiene la palabra "helio", este artículo pretende ser una descripción general de los métodos de gases traza en general.

Los métodos de gases traza miden las fugas directamente, es decir, tienen como objetivo determinar la cantidad de material que se escapa de la pieza bajo prueba. Esto contrasta con otros métodos que no se basan en gases traza que miden los efectos de la fuga (como es el caso de las pruebas de fugas por caída de presión). Debido a esto, estos métodos generalmente son capaces de medir fugas muy pequeñas y pueden usarse para probar piezas grandes o complejas porque el volumen de la pieza no tiene un efecto directo en la confiabilidad de la prueba.

El helio ha sido el gas traza dominante elegido durante muchos años. En las últimas décadas, la escasez ocasional y el aumento de los precios obligaron a la industria de pruebas de fugas a buscar alternativas como una mezcla de hidrógeno/nitrógeno, SF6 y varios refrigerantes.

El gas traza ideal debería:

Fuera de esta lista, con la excepción de los dos últimos, el helio no tiene rival. Su presencia ambiental de 5 ppm en la atmósfera, su naturaleza inerte y sus dimensiones atómicas muy pequeñas lo hacen ideal para su uso como gas traza.

Revisemos los métodos de prueba basados ​​en trazas de gas que se usan comúnmente, observando primero cómo se construye un sistema de prueba de fugas.

Los probadores de fugas de gas traza tienen dos componentes principales:

La precisión de la prueba de fugas depende en gran medida de la concentración y la homogeneidad del gas traza dentro de la pieza. El desafío más común es el hecho de que las piezas generalmente contienen aire cuando ingresan a la estación de prueba de fugas. Si la pieza es capaz de manejar el vacío, evacuar este aire residual utilizando una fuente de vacío dedicada (bomba de vacío, generador de vacío accionado por aire, etc.) es la mejor manera de garantizar una alta concentración de gases traza. Cuando esto no es posible, la otra opción es permitir que el gas traza fluya a través de la pieza (preferiblemente saliendo por el punto más alejado del puerto de carga). El último método puede aumentar considerablemente el consumo de gases traza y, por lo general, es la elección de último recurso.

Una secuencia de carga típica consiste en lo siguiente:

La gestión del gas, especialmente durante la fase de escape, es muy importante: mantener altas concentraciones de gas traza lejos del sistema de detección de fugas es la mejor manera de garantizar la repetibilidad de los resultados de las pruebas.

Los sistemas de carga pueden variar desde unas pocas válvulas manuales en un colector que se conecta manualmente a la pieza de prueba a través de una línea de prueba hasta controles de válvula totalmente automatizados y herramientas de conexión de piezas.

El diseño de herramientas robusto y fiable es muy importante, especialmente en el caso de las conexiones de piezas. Esto se debe a que cualquier fuga se sumará a la fuga de la pieza y puede causar fácilmente falsos rechazos.

El componente más importante de estos sistemas es el detector de fugas. Hay varias opciones: seleccionar la correcta requiere una cuidadosa consideración de los requisitos de la prueba y el costo. Algunos de los tipos de detectores más utilizados se resumen en la Tabla 2.

La sensibilidad del detector de fugas determina el rango de tasa de fuga que se puede detectar. Según el método de prueba, es posible que el rango completo del detector de fugas no sea igual al rango de detección del sistema de prueba. En la mayoría de los sistemas de detección, el detector de fugas realiza un submuestreo del gas y se pierde parte de la señal del gas traza. Un ejemplo típico sería un sistema de prueba de fugas de vacío duro en el que el espectrómetro de masas de helio solo detecta una parte del helio que ingresa a la cámara de vacío.

Tomemos, por ejemplo, una cámara de vacío más grande, como un probador de tanque de combustible. De una fuga de 10-5 std.cm3/seg en la cámara de vacío, solo 10-7 std.cm3/seg llegan al espectrómetro de masas debido a la pérdida de señal a través de las bombas de evacuación de la cámara.

Otras partes importantes del sistema de detección son las áreas de recolección (cámara de vacío y bombas, cámara de acumulación, etc.), los circuitos de muestreo y cualquier equipo asociado que proporcione una funcionalidad auxiliar (por ejemplo, circuitos de gas portador). Estos se detallarán en la sección sobre los métodos de prueba individuales.

La Tabla 3 resume los métodos más comunes basados ​​en gases traza junto con sus capacidades, el costo del sistema asociado y los requisitos de mantenimiento.

Este es el método de prueba más tradicional y más preciso. Es capaz de medir fugas muy pequeñas, en algunos casos tan bajas como el rango de 10-9 std.cm3/seg. La pieza se coloca dentro de una cámara de vacío que a su vez es evacuada mediante una bomba o bombas de vacío. Una vez que la cámara está a una presión suficientemente baja, el espectrómetro de masas o el analizador de gases residuales se conecta a la cámara. Cuando el nivel de gas traza en la cámara es lo suficientemente bajo como para que comience la prueba, la pieza se presuriza con gas traza y se mantiene bajo presión durante la prueba. El nivel de trazas de gas se controla continuamente en la cámara y, si supera un límite crítico, la pieza de prueba se rechaza.

Esta es una tecnología muy madura. Hay muchas medidas de seguridad integradas en el sistema para detectar el mal funcionamiento de los componentes críticos del sistema. Los tiempos de ciclo pueden ser tan cortos como de 20 a 30 segundos, lo que lo convierte en el método de prueba más rápido disponible.

Todo esto, por supuesto, tiene un costo: los sistemas de vacío duro suelen ser los más caros y requieren el mantenimiento más especializado. Al igual que con los vehículos, un poco de mantenimiento regular contribuye en gran medida a mantener los probadores en funcionamiento. Hay muchos probadores de fugas de vacío duro en el campo hoy en día que tienen más de 30 años, han sido reacondicionados varias veces y todavía funcionan de manera tan confiable como siempre.

¿Por qué usar helio? Alrededor del 99% de los probadores de fugas de vacío duro utilizan helio simplemente debido a la amplia disponibilidad de detectores de fugas de espectrómetro de masas de helio que se han "industrializado" en las últimas décadas. El uso de hidrógeno en el vacío es, en el mejor de los casos, un desafío porque los metales más comúnmente utilizados desgasifican las grandes cantidades de hidrógeno que han absorbido durante el proceso de fabricación. Esto crea niveles tan altos de niveles de fondo inestables que la detección de pequeñas fugas se vuelve imposible. Otros gases, como los refrigerantes, se utilizan cuando el detector de fugas es un analizador de gases residuales (RGA). Este es un espectrómetro de masas en toda regla capaz de analizar gases en una amplia gama de unidades de masa atómica (AMU).

El problema más común con los probadores de alto vacío es la necesidad de mantener un sistema de alto vacío que opera a una frecuencia muy alta, alternando entre la presión atmosférica y el alto vacío a veces cada 30 segundos.

Como sugiere su nombre, el método de acumulación mide el gas traza acumulado en un volumen cerrado. Para ser más precisos, monitorea la concentración de gas traza en la cámara de prueba a lo largo del tiempo. La tasa de cambio de la concentración está directamente relacionada con la tasa de fuga: cuanto mayor es la tasa de fuga, más rápido aumenta la concentración. Algunos sistemas calculan la tasa de cambio en intervalos de tiempo muy cortos, dando algo cercano a una lectura de tasa de fuga en vivo. Otros esperan la duración de la prueba y simplemente observan el aumento total de la concentración.

Es muy importante asegurarse de que el sistema no pierda su sensibilidad por una u otra razón. Para verificar la integridad de la prueba, algunos sistemas requieren la ejecución periódica de una parte de desafío (una fuga conocida). La otra opción es usar la llamada fuga de fondo. Esta es una fuga que está constantemente conectada a la cámara de prueba y debe detectarse al final de la prueba para que la prueba sea exitosa.

Esta fuga de fondo suele ser del 10 al 20 % del nivel de rechazo. Además de ser un "control de cordura" al final de la prueba, también elimina el problema de las piezas marginales. Si una pieza tiene una fuga al 90 % del límite de rechazo, agregar una fuga de fondo del 20 % hace que la pieza sea rechazada. El nivel de fondo debe determinarse considerando una colección de factores (variación en las partes, incertidumbre de los parámetros de prueba, etc.).

El aire dentro de la cámara de acumulación generalmente se agita con ventiladores o agregando un circuito de recirculación de aire al sistema. El beneficio del enfoque de recirculación es que crea un circuito cerrado de flujo de aire por el cual toda la atmósfera de la cámara se verá obligada a circular en algún punto. Al muestrear el circuito de recirculación, se puede asegurar que se muestrea todo el aire de la cámara.

Al igual que con todos los métodos de prueba de fugas atmosféricas, es muy importante considerar los patrones de flujo de aire dentro de la cámara y asegurarse de que no haya "puntos ciegos" o áreas donde el flujo de aire alrededor de la pieza sea limitado.

¿Por qué usar helio? La respuesta simple es que no tienes que hacerlo. Después de olfatear, la prueba de acumulación fue el segundo método para ingresar al campamento sin helio. El gas de formación (una mezcla ampliamente disponible de 5 % de hidrógeno y 95 % de nitrógeno) se puede utilizar con éxito como gas traza, siempre que los niveles de fondo estén bien controlados. Si el entorno de prueba se mantiene libre de fuentes emisoras de hidrocarburos (por ejemplo, carretillas elevadoras que funcionan con gas natural), el gas de formación es una excelente alternativa.

Los probadores de acumulación generalmente no brindan información sobre la tasa de fugas en tiempo real y también sufren de un nivel relativamente alto de sensibilidad a la variación en los niveles de fondo de gas traza en la atmósfera dentro y alrededor de la cámara de acumulación.

En cambio, la prueba de fugas de gas portador se puede utilizar con piezas más pequeñas. Este método no acumula el gas traza en el volumen de prueba. Más bien, utiliza una corriente de gas libre de trazas (por ejemplo, nitrógeno) para barrer la cámara. El gas portador que sale de la cámara es muestreado por el detector de fugas y midiendo la concentración de gas traza en la corriente portadora, se puede calcular la tasa de fuga de la pieza de prueba.

Se recomiendan encarecidamente las mismas precauciones que se utilizan con las pruebas de acumulación (p. ej., la adición de una fuga de fondo).

La gran ventaja de esta prueba sobre la acumulación es doble: proporciona información de fugas en tiempo real y elimina la dependencia de fondo de la acumulación.

El desafío es que el tamaño de la cámara de prueba y la tasa de fuga detectable están vinculados. Cuanto más grande sea la cámara de prueba, mayor será el flujo necesario para garantizar que se muestreen todas las áreas de manera oportuna. Sin embargo, un flujo de gas portador mayor diluye la señal del gas traza, lo que dificulta la medición.

Este método generalmente se aplica para piezas o ensamblajes más pequeños.

¿Por qué usar helio? Nuevamente, la respuesta es que generalmente no es necesario. Este método se presta fácilmente al uso de otros gases traza siempre que el detector de fugas tenga un flujo de muestra lo suficientemente alto.

Las pruebas de gas portador se prestan fácilmente para probar áreas de piezas más grandes. El desafío es sellar. La técnica asume una cámara de prueba bien sellada que evita que el aire potencialmente contaminado interfiera con la prueba. Lograr este sello en un entorno de producción no siempre es práctico o incluso posible.

El método de tecnología de purga de nitrógeno elimina este problema. Al usar un gas libre de trazas de gas como sello entre la cámara de prueba, el aislamiento de la cámara de prueba del mundo exterior se convierte en un desafío menor.

Al comienzo de la prueba, la cámara se purga con un alto flujo de nitrógeno. Esto obliga a salir el aire atmosférico. Al mantener una "cortina" de gas alrededor del perímetro de la cámara, el aire se mantiene fuera durante la prueba, lo que elimina cualquier problema de fondo.

Originalmente, los rastreadores eran accesorios de uno de los métodos descritos anteriormente, utilizados principalmente para la localización de fugas. En los últimos años, con toda la industria cada vez más consciente de los costos y con el avance de la robótica, el olfato como método de cuantificación de fugas ha ganado terreno.

La clave para una operación de olfateo exitosa es el manejo del gas. Se deben eliminar todas las posibles fuentes de gases traza en el área y se debe disponer de una gran cantidad de aire fresco en todo momento. Muchas aplicaciones involucran una llamada cabina de rastreo que aísla el área de prueba del resto del piso de producción.

Al igual que con los gobernantes medievales, el proceso de sucesión del helio ha sido un asunto turbulento. Al momento de escribir este artículo, no se ha encontrado un reemplazo universalmente aceptable para las pruebas de fugas basadas en gases traza. La presencia ambiental relativamente baja de helio en la atmósfera, su naturaleza inerte y sus dimensiones atómicas muy pequeñas lo hacen ideal para su uso como gas traza. Si se utilizan los métodos de recuperación adecuados, el helio puede seguir siendo la mejor solución a pesar de las dificultades ocasionales en su obtención.

Mi esperanza es que este artículo haya servido como una base adecuada para aquellos de ustedes que son nuevos en las pruebas de fugas de helio, para comprender mejor sus ventajas, los métodos de prueba basados ​​en trazas de gas comúnmente utilizados y la mejor manera de lograr una prueba confiable y repetible. prueba.

Peter Bonyhati es ingeniero de sistemas en Cincinnati Test Systems (CTS). CTS es parte de la organización de integridad de productos del Grupo TASI, junto con las empresas asociadas CTS-Schreiner de Alemania y Sciemetric de Canadá. Para obtener más información, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.cincinnati-test.com.