Oferta

Budujemy stanowiska badania szczelności

Nie istnieją przedmioty idealnie szczelne, można jednak osiągnąć bardzo wysoki stopień szczelności określony normami bezpieczeństwa (co jest szczególnie ważne w urządzeniach wykorzystujących gazy wybuchowe lub toksyczne) lub normami produktu określonymi przez konstruktorów, aby spełniał on powierzoną funkcję. My potrafimy skonstruować, oraz zbudować testery szczelności wykrywające nieszczelności zgodnie z normą zawartą w zamówieniu.

Nieszczelność jest cechą każdego zbiornika (komory), niezależnie czy jest to zbiornik płynu do spryskiwaczy szyb, czy też aparatura wysokopróżniowa stosowana w przemyśle półprzewodnikowym. Natomiast z punktu widzenia zastosowań istotna jest odpowiedź na pytanie, jaka jest akceptowalna wartość nieszczelności, przy której zbiornik dalej pełni założone funkcje. Poniżej tej wartości określamy poziom odrzutu wadliwych produktów. Nieszczelność należy do tej kategorii pojęć, których miara ma zawsze wartość większą od zera.

Wyróżniamy trzy rodzaje nieszczelności:

  • rzeczywiste, pozorne oraz wynikające z przenikania gazu przez ścianki zbiornika (komory). Nieszczelności rzeczywiste są związane z występowaniem dziur, szczelin lub kanałów łączących obszary o różnych ciśnieniach i umożliwiające przepływ gazu między tymi obszarami. Nieszczelności takie występują najczęściej w sąsiedztwie połączeń i są zwykle wynikiem popełnionych błędów konstrukcyjnych, technologicznych czy też montażowych, oraz w nielicznych wypadkach – ukrytych wad materiałowych.
  • pozorne wiążą się z obecnością gazów zaadsorbowanych na wewnętrznych ściankach zbiornika (komory), gazów uwięzionych w mikroporach, resztek smarów, rozpuszczalników i innych zanieczyszczeń pochodzenia organicznego. Nieszczelności pozorne odgrywają istotną rolę w technice próżni wysokiej (i wyższej – cieśnienie poniżej ~10-3 mbar), czyli na przykład w technologiach wymagających wysokiej czystości prowadzonego procesu (np. osadzania par metali).
  • wynikające z przenikania gazów przez ścianki zbiornika można na ogół zaniedbać z uwagi na wybór technologii.

W technice wartość nieszczelności często jest podawana w jednostkach natężenia przepływu gazu. Najczęściej stosowanymi jednostkami są: [W = Pa · m3/s], [mbar · l/s], [mol/s],oraz [Tr · l/s].

Metody wykrywania nieszczelności można podzielić na metody próżniowe i ciśnieniowe zależnie od tego, czy ciśnienie gazu wewnątrz badanego obiektu jest niższe czy też wyższe od ciśnienia atmosferycznego.

Niektóre spośród tych metod umożliwiają lokalizację nieszczelności, inne pozwalają jedynie na pomiar wypadkowego natężenia nieszczelności.

Najmniejsze natężenie nieszczelności wykrywane daną metodą określa czułość tej metody.

Unitem w stanowiskach badania szczelności wykorzystuje następujące metody:

FLT – FAST LEAKAGE TEST

Metoda termowizyjna badania szczelności elementów

Najpopularniejszą metodą ciśnieniową badania szczelności stosowaną w przemyśle motoryzacyjnym jest metoda powolnych zmian ciśnienia. Istotnym ograniczeniem tej metody jest brak wskazania lokalizacji nieszczelności. Kolejną wadą, są bardzo długie czasy pomiaru (co najmniej kilkadziesiąt sekund) dla detali ulegających znacznym odkształceniom pod wpływem podania sprężonego powietrza. Przykładem mogą tutaj być takie elementy jak miski olejowe, zbiorniki na różne płyny wykonane z tworzywa czy też węże gumowe.

Metodą, która jest pozbawiona powyższych wad jest metoda termowizyjna opracowana przez firmę Unitem. Umożliwia ona wskazanie miejsca nieszczelności oraz nie jest ona czuła na zmianę ciśnienia wewnątrz badanego elementu na skutek jego odkształceń (po wprowadzeniu sprężonego gazu), co umożliwia znaczne skrócenie czasu pomiaru. Budowane termowizyjne testery nieszczelności rozróżniają elementy szczelne od nieszczelnych poprzez podanie tradycyjnej informacji OK oraz NOK. Opcjonalnie istnieje możliwość podglądu termogramów w celu lokalizacji nieszczelności. Poniżej pokazano przykładowe wyniki badania szczelności różnych elementów z branż AutoMotive oraz AGD.

Rys. 1. Badanie szczelności zakuć węży montowanych w układzie chłodzenia samochodów osobowych a) widok badanego obiektu, b)  w obszarze AR01 uwidoczniona nieszczelność.

Rys. 3. Zbiornik a) polimerowy montowanych w samochodach, b) termogram oraz c) przykładowy przebieg temperatury

Rys. 5. a) Korpus grzałki stosowanej do podgrzewania wody w ekspresach do kawy oraz b) widok po rozmontowaniu, c) uwidoczniona nieszczelność na przetłoczeniu jednego z króćców (zielony przebieg temperaturowy oraz czerwony obszar w obrazie termowizyjnym)

Rys. 2. Pomiar szczelności zakucia węża a) widok na poprawnie wykonane połączenie b) wykryta nieszczelność (czarne punkty na obrazie termowizyjnym)

Rys. 4. a) Obraz termowizyjny nieszczelności lokalnej (czerwony punkt) w membranie ze stali nierdzewnej oraz b) przykładowy przebieg temperatury w czasie udarowych zmian ciśnienia (cykliczny wzrost i spadek Δp)

Rys. 6. Przykładowy przebieg oraz termogram miejsca nieszczelności (NOK). Obiekt badany: wąż pneumatyczny

Metody akustyczne

Akustyczne wykrywanie nieszczelności wykorzystuje energię dźwiękową lub ultradźwiękową generowaną przez wyciek rozszerzającego się gazu. Ta metoda jest bardzo prosta i szybka, ale wykazuje niską czułość – wycieki do 10-2 mbar · l/s. Dodatkowe pokrycie miejsca nieszczelności pianą lub wodą pozwala na zwiększenie zakresu czułości do 10-4 mbar · l/s. Metoda ta jest metodą próżniową jak i ciśnieniową.

Metoda pęcherzyków powietrza

Metoda pęcherzyków powietrza jest  jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod ciśnieniowych. Wyróżnia się dwa warianty tej metody. W pierwszym badany obiekt jest pompuje się do odpowiednio wysokiego ciśnienia i zanurza się go w wodzie i dzięki tworzącym się pęcherzykom powietrza można zlokalizować miejsce nieszczelności. W drugim wariancie obiekt pokrywa się cienką warstwą wodnego roztworu mydła lub detergentu i po napompowaniu obserwuje się, w których miejscach tworzą się bańki mydlane. Czułość tej metody dla baniek mydlanych wynosi ok. 10-4 mbar · l/s, natomiast dla metody z zanurzeniem badanego obiektu jest na poziomie ok. 10-3 mbar · l/s. W metodzie z zanurzeniem badanego obiektu duży wpływ na wiarygodność ma m.in. oświetlenie zbiornika wodnego, stopień zmętnienia wody, położenie nieszczelności i stąd czułość tej metody jest o rząd gorsza.

Oba warianty opisanej metody choć pozornie proste stwarzają często wiele niedogodności. W wypadku metody zanurzeniowej kłopoty rosną wraz z rozmiarami i wagą badanych obiektów, tym bardziej że po badaniu muszą być dokładnie osuszone. W wypadku alternatywnego wariantu usuwanie naniesionego wcześniej roztworu jest często dość pracochłonne i tym samym kosztowne.

Badanie szczelności metodą pęcherzyków powietrza z wykorzystaniem dedykowanego środka.

Źródło: https://detectorbuy.com/372h-33

Metoda powolny zmian ciśnienia (metoda spadku ciśnienia, metoda różnicowa)

Typowy wykres zależności ciśnienia w czasie badania szczelności. Przebieg taki ma 4 charakterystyczne fazy: napełnienie, stabilizacja, test oraz zrzut powietrza.

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

Zależnie od wartości ciśnienia wytworzonego wewnątrz badanego obiektu metoda powolnych zmian ciśnienia jest zaliczana do metod próżniowych bądź ciśnieniowych. W obu wariantach pozwala ocenić szczelność obiektu, jednakże bez lokalizacji ewentualnego wycieku.

Czułość tej metody w wariancie próżniowym zależy od zakresu pomiarowego i dokładności stosowanego próżniomierza. Dla próżniomierza jonizacyjnego (pmin = 10-6 Pa) rejestrowane nieszczelności osiągają poziom 10-6 mbar · l/s. Zasada wariantu ciśnieniowego różni się tylko tym, że badany obiekt jest napompowany do ciśnienia zwykle rzędu kilku atmosfer i po odłączeniu kompresora mierzy się szybkość spadku ciśnienia –Δp/Δt wynikającą z występowania nieszczelności rzeczywistych (metoda spadku ciśnienia). Czułość stosowanych ciśnieniomierzy wynosi zwykle ok. 100 Pa (najmniejsze rozdzielczości pomiaru dochodzą 0,01 Pa dla najdroższych urządzeń pomiarowych) i stąd też czułość tego wariantu jest o kilka rzędów wartości mniejsza niż w wypadku wariantu próżniowego.

Na różnicę mierzonego spadku ciśnienia (ΔP = P2 – P1) wpływa kilka czynników, takich jak:

  • obecność przecieku
  • różnica objętości ΔV
  • różnica temperatury ΔT

Dlatego też korzystając z metody spadku ciśnienia należy mieć na uwadze wpływ zmiany temperatury ΔT oraz wpływ zmiany objętości ΔV na wartości mierzonego spadku ciśnienia ΔP. Korzystając z tej metody na linii produkcyjnej należy mieć świadomość wpływu powyższych wielkości fizycznych na wynik końcowy pomiary. Aby wyeliminować wpływ tych czynników należy zastosować metodę spadku ciśnienia w wariancie różnicowym. Innymi słowy metoda różnicowa pozwala skompensować różnice objętości ΔV i różnice temperatury ΔT.

W metodzie różnicowej jednym z podstawowych stosowanych praw jest prawo Mariotte’a (prawa Boyle’a), które dla gazów idealnych przybiera postać:

P V = n R T

gdzie: P [Pa] – ciśnienie, V [m3] objętość, n – ilość moli (ilość materii), R – stała dla gazów idealnych (R = 8,31 J/mol·K), T [K] – temperatura.

Po uwzględnieniu wpływu zmiany temperatury i zmiany objętości otrzymujemy:

(P+ΔP)(V+ΔV) = n R (T+ΔT).

Na objętość V składa się: objętość elementu testowanego, objętość rurek użytych do podłączenia badanego zbiornika, objętość rurek i armatury wewnątrz urządzenia pomiarowego.

Badanie szczelności metodą spadku ciśnienia z zastosowaniem elementu wzorcowe.

 

Na rysunku pokazano ideę pomiaru metodą różnicową, w której stosujemy wzorzec (element o akceptowalnym poziomie szczelności) wykonany z takiego samego materiału o takich samych wymiarach (objętości, konstrukcji) jak element badany. Oba elementy są umieszczone w tych samych warunkach klimatycznych (temperatura, ciśnienie). Dzięki takiemu podejściu do pomiaru, wartości ΔT i ΔV są takie same dla elementu badanego i wzorcowego i znoszą się wzajemnie nie wnosząc udziału do pomiaru wskazywanego przez urządzenie do pomiaru szczelności.

Metody wykorzystujące znaczniki gazowe

Metody polegające na wprowadzeniu do badanych zbiorników wybranych gazów (znaczników) i śledzeniu ich przepływu przez występujące nieszczelności za pomocą detektorów. Znaczniki gazowe powinny spełnić szereg warunków: nie być aktywne chemicznie, toksyczne, nie powinny występować (w znacznych ilościach) w atmosferze ziemskiej, nie powinny być wybuchowe/palne oraz powinny charakteryzować się możliwie dużą wartością współczynnika dyfuzji do innych gazów. Jedynym gazem spełniającym powyższe warunki jest hel i jest on często stosowany. Niekiedy jako znaczniki gazowe używa się również wodoru (najczęściej mieszaniny do 5% wodoru z azotem, która nie jest wybuchowa) lub któregoś z freonów (obecnie już bardzo rzadko). Wodór nie spełnia części wyżej postawionych wymagań, ale jego współczynnik dyfuzji ma dużą wartość i dlatego jest stosowany. Metodę badania nieszczelności wykorzystującą znaczniki gazowe możemy stosować jako próżniową bądź ciśnieniową.

Metody próżniowe z zastosowaniem znaczników gazowych

Metoda próżniowa z wykorzystaniem znaczników gazowych wymaga dołączenia do badanego zbiornika spektrometru mas i odpompowania całego zestawu do ciśnienia pracy spektrometru. Konstrukcja spektrometru dobrana jest tak, aby detekował on jedynie cząsteczki znacznika gazowego. Strumieniem tego gazu owiewa się kolejno wszystkie złącza zbiornika. Jeżeli strumień gazu zostanie skierowany na nieszczelność, to gaz przedostaje się do wnętrza aparatury a następnie wędruje do spektrometru, który rejestruje jego obecność. W metodzie tej, pomiar natężenia nieszczelności wymaga pewnego czasu (zależnie od objętości zbiornika oraz szybkości pompowania helu z tego zbiornika), choć samą nieszczelność można zlokalizować znacznie wcześniej. Lokalizacja każdej kolejnej nieszczelności wymaga odpompowania znacznika gazowego (np. helu) wprowadzonego w czasie wcześniejszego badania do badanego zbiornika. Czas potrzebny na usunięcie helu nazywamy czasem wentylacji. Czas reakcji i czas wentylacji charakteryzują bezwładność systemu próżniowego przy zachodzących zmianach i muszą być uwzględniane w procedurach wykrywania nieszczelności.

Profesjonalny wykrywacz nieszczelności wyposażony jest w kwadrupolowy filtr mas oraz w autonomiczny układ pompowy z pompą turbomolekularną i pompą próżni wstępnej co czyni ten system stosunkowo drogim.

Czułość opisywanej metody (najmniejsza wartość rejestrowanego natężenia przepływu) jest bardzo duża i wynosi zwykle 10-11 mbar · l/s.

Helowy wykrywacz nieszczelności ASM 340 firmy Pfeiffer Vacuum

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

Metody ciśnieniowe z zastosowaniem znaczników gazowych

Detektor nieszczelności w zastosowaniu w domowych instalacjach gazowych. W tym zastosowaniu nie ma potrzeby stosowania znacznika gazowego, ponieważ sam gaz użytkowy pełni równocześnie tę rolę.

Badany zbiornik metodą ciśnieniową z zastosowaniem gazów znakujących napełnia się (najczęściej mieszaniną helu bądź innego gazu znakującego z powietrzem) do ciśnienia przekraczającego ciśnienie atmosferyczne, zwykle do ok. 2 – 5 bar. Następnie końcówkę detektora (z ssawką lub bez) przykłada się kolejno do badanych powierzchni zbiornika w szczególności do wszelkiego rodzaju połączeń (rozłącznych i nierozłącznych) w celu wykrycia nieszczelności. Gdy do czujnika detektora przez nieszczelność dotrze gaz znakujący sygnalizuje on jego obecność. Metoda ta wymaga detektora o stosunkowo dużym stopniu skomplikowania:

  • helowy detektor nieszczelności ze spektrometrem masowym
  • system próżniowy do utrzymania odpowiednio niskiego ciśnienia w spektrometrze (często pompa turbomolekularna + pompa próżni wstępnej)
  • zawory kontrolujące poszczególne etapy cyklu pomiarowego
  • elektroniczny system sterowania i pomiaru

Czułość tej metody dla najlepszych rozwiązań szacuje się na poziomie 10-7 mbar · l/s. Należy pamiętać, że ciśnieniowa metoda nie pozwala na precyzyjne oszacowanie natężenia nieszczelności.

Metodę powyższą stosuje się też w znacznie uproszczonym wariancie, w którym otrzymujemy informację o lokalizacji nieszczelności natomiast o wielkość nieszczelności wnioski można wyciągać na podstawie wartości znacznika gazowego podawanego w ppm (ang. parts per milion). Detektory tego typu często nie są wyposażone w ssawki, a koszt oprzyrządowania jest nieporównywalnie niższy niż w metodzie ze spektrometrem masowym. Niestety w tym wariancie nie mamy informacji o natężeniu przepływu gazu przez nieszczelność.

Metoda Metoda ciśnieniowa Metoda próżniowa Lokalizacja nieszczelności Zakres czułości metody[mbar · l/s]
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11
Akustyczna Klasycznie

X

X

X

Z pokryciem wodą lub pianą

X

X

X

Pęcherzyków
powietrza
Klasyczna

X

X

Zanurzeniowa

X

X

Powolnych zmian ciśnienia

X

X

Znaczników gazowych

X

X

X

X