누설탐지 개요(Leak Detection Overview)

서론

 

진공 누출 탐지의 일반적인 원리는 간단합니다. 누설부의 대기 측에 기체 또는 액체를 분사하면 “탐지 장치”에서 공기와 다른 반응을 보입니다. 해당 기체(또는 증기)는 누출을 통해 확산되어 공기를 밀어내고, 탐지 장치의 출력이 변화합니다.

 

그러나 실제로는 그렇게 간단하지 않습니다. 처음에는 예상하거나 원하는 만큼 압력이 낮지 않다는 것만 알 수 있습니다. 이러한 상태는 누출 외에도 다음과 같은 원인으로 발생할 수 있습니다:

• 고진공 펌프 고장
• 기계식 펌프 오일의 높은 용제 농도
• 기계식 펌프의 열악한 오일 품질
• 샘플로부터의 가스 방출
• 새로운 진공 부품으로부터의 가스 방출
• 가열에 의한 증기압 증가
• 습한 날씨에 대기로의 환기
• 고무나 플라스틱 부품을 통한 헬륨 침투

시스템에 누출이 있다고 확신할 때조차도, 누출 감지를 복잡하게 만드는 다른 요소들이 있습니다:

• 시스템의 모든 지점에 접근하여 분사하기
• 분사한 위치를 추적하기
• 한 부분에 분사했지만 과분사 지역에서 누출 감지하기
• 공기와 테스트 가스 간의 “탐지 장치”의 상대적인 민감도 저하
• 밸브 시트를 통한 누출
• 챔버 내부의 물 라인 누출

하나의 탐지 장치인 잔류 가스 분석기(RGA)는 대부분의 이러한 어려움을 극복하고, 누출 원인이 무엇이든 즉각적인 지표를 제공합니다. 그러나 불행히도 대부분의 사람들은 RGA의 결과를 해석하는데 부담감을 느끼고, RGA를 설치하는 대신 누출을 추적하는 데 많은 (비용이 드는) 시간을 보내고 싶어합니다. 

 

물질 및 탐지 장치

기체/액체	탐지 장치
공기	귀 또는 청진기

진공 챔버에 좋은 기계식 펌프가 부착되어 있음에도 불구하고 몇십 토르 이하로 내려가지 않는다면, 공기가 누출을 통해 급속히 흐르면서 발생하는 높은 음조의 휘슬 소리를 들을 수 있을 것입니다 (농담이 아닙니다). 이 크기의 누출이 발생할 가능성이 가장 높은 곳은 빠지거나 찢어진 O-링 또는 파손된 피드스루 절연체입니다. 한 유명한 NASA 사례에서는, 직경 35인치의 확산 펌프가 수없이 많은 대형 우주 시뮬레이션 챔버가 10^-4 토르 범위 이하로 내려가지 않았습니다. 80피트 길이와 12피트 직경의 챔버에서 헬륨 누출 점검을 하는 것은 다소 위협적으로 보였습니다. 이 건물의 소음 수준은 상당히 높았지만, 운영자는 이전 펌프다운과 다른 높은 음조의 휘슬 소리를 들었다고 생각했습니다. 그래서 그는 "양측 위치 효과"를 얻기 위해 머리를 이리저리 돌리며 이 거대한 챔버를 돌아다녔습니다. 결국 그는 플랜지가 없는 1.5인치 포트를 신속하게 찾아냈습니다!

여러분이 어떻게 이런 큰 챔버가, 아무리 펌핑 속도가 붙어 있더라도, 빠진 플랜지로 10^-4 토르에 도달할 수 있는지 궁금하다면, 초크 흐름을 한 번 찾아보세요.

기체/액체	탐지 장치
아세톤	열전대 게이지

이온 게이지를 켤 수 없을 정도로 큰 누출은 가끔 의심되는 부품과 접합부에 플라스틱 스쿼시 병으로 아세톤을 뿌려서 감지할 수 있습니다. 일부 사람들은 O-링을 아세톤에 담그는 것이 지혜롭지 않다고 생각합니다만, 이는 그들이 녹을 것으로 기대하는 것과는 다릅니다. 더 중요한 점은, 다음 10년 동안 엘라스토머를 통해 증기가 침투할 가능성을 걱정하는 사람들도 있습니다! 그리고 그들은 맞습니다만, 이게 유일한 누출 점검 장비라면 어쩔 수 없습니다.

기체/액체	탐지 장치
헬륨	열전대 게이지

열전대 또는 피라니 게이지에서 압력이 밀리토르 범위에 도달하면, 스프레이 가스로 헬륨을 사용해 보세요. 자주 묻는 질문 중 하나는 "누출을 찾으면 게이지가 어느 쪽으로 움직일까요?"입니다. 보통의 대답은 "움직이기만 하면, 누가 신경 쓰겠어요?"입니다. 그러나 피라니 및 열전대 게이지를 사용하면 알아낼 수 있습니다. 헬륨과 공기는 상대적으로 같은 반응을 합니다 (O'Hanlon A User's Guide to Vacuum Technology 페이지 86과 87을 참조하세요). 헬륨은 공기보다 빠르게 확산되므로, 누출 부위에서 헬륨이 주요 가스일 때 챔버 내부 압력이 더 높아집니다. 즉, 더 많은 가스 분자가 감지 와이어에 도달하여 열을 제거합니다. 표시된 압력이 상승해야 합니다.

O'Hanlon의 다이어그램을 자세히 보면, 수소와 공기의 반응 차이가 헬륨/공기보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있습니다 (표시된 압력이 실제 압력보다 훨씬 높음). 또한 수소는 헬륨보다 누출을 통해 더 빨리 확산됩니다. 제가 수소를 대기 중에 뿌리라고 제안하는 것은 아닙니다. 다만 과학적인 사실을 지적할 뿐입니다.

기체/액체	탐지 장치
헬륨	이온 게이지

10^-4 토르 범위에 도달할 수 있고 이온 게이지 필라멘트를 유지할 수 있다면 그렇게 하세요. 헬륨과 공기의 상대 민감도는 큽니다 (O'Hanlon 페이지 92를 참조하세요) 그러나 반대 방향입니다. 즉, 헬륨은 더 빨리 확산되므로 (따라서 챔버 압력이 공기보다 높아짐), 동일한 압력의 헬륨과 공기에서 헬륨은 공기가 제공하는 신호의 20% 미만을 제공합니다. 하지만 일반적으로 헬륨이 누출 부위에 도달하면 게이지 읽기가 변경됩니다. (방향 예측에는 관심이 없습니다.)

기체/액체	탐지 장치
헬륨	누출 탐지기

누출 탐지기(LD)는 헬륨의 질량에 맞추어진 자체 포함된 질량 분석기입니다. 즉, LD는 다른 원자/분자 질량을 가진 공기 및 다른 가스를 무시합니다. 시험 중인 구성 요소의 총 압력은 중요하지 않습니다. 왜냐하면 LD 자체에 펌핑 시스템이 있기 때문입니다. 그러나 일반적으로 10^-4 토르 범위로 진공을 잡으면 도움이 됩니다.

 

LD는 진공 제조업체에서 광범위하게 사용되지만, 시스템 사용자는 덜 사용합니다. 용접 후 챔버를 테스트하려면 모든 포트를 플랜지로 일시적으로 밀봉하고, 챔버에서 LD의 입구 밸브로 플렉스 호스를 연결한 다음, 진공 펌프를 사용하여 챔버를 몇 백 밀리토르 이하로 감소시킵니다. LD의 입구 밸브를 열고, LD의 압력을 작동 범위 내로 유지합니다. 처음에는 헬륨으로 챔버 외부를 채우고, LD가 누출을 나타내면, 모든 용접 부위를 조심스럽게 점검하여 누출을 찾습니다.

 

일부 LD는 헬륨 수준의 변동에 따라 음조가 변하는 가청 알람을 가지고 있습니다. 이는 대형 챔버의 뒷면을 누출 점검할 때 매우 유용합니다. 10^-9 토르.리터/초 범위의 누출 속도는 비교적 쉽게 측정됩니다. 일부 상용 모델은 10^-11 토르.리터/초의 감도를 가지고 있습니다. 그러나 이 범위에서의 측정은 신호의 소음, 배경 헬륨, 그리고 물론 경험을 포함한 문제없이 이루어지지 않습니다.

 

장비 및 방법

 

헬륨 공급: 헬륨 실린더, 고압 조절기, 간단한 유량 조절기(밀리리터/초 흐름을 위한), 유량 조절기에 연결된 작은 구멍 고무 튜브, 스프레이 노즐로 사용되는 매우 작은 구멍 튜브(1/16인치 외경)가 필요합니다. 세계 자원에 대해 걱정된다면, 1/16인치 튜브 대신에 밸브가 있는 적절한 헬륨 프로브를 사용하여 헬륨을 절약하고 과분사를 줄일 수 있습니다.

 

헬륨 텐트: 때때로 시스템이 너무 커서 누출이 의심되는 모든 부분에 헬륨을 분사하는 것이 매우 불편합니다. 헬륨 텐트 방법은 한 번에 모든 것을 점검하고, 적어도 누출이 있는지 확인할 수 있습니다. 플라스틱 필름으로 장비 전체를 덮습니다. 철물점에서 구입할 수 있는 저렴하고 얇은 폴리에틸렌 페인터의 덮개가 이상적일 수 있습니다. 시트가 장비 주변 바닥에 닿도록 덮고, 두 장 이상의 시트가 필요할 경우 겹침 부분이 크게 되도록 합니다. 그런 다음 헬륨을 텐트 하부로 쏘고 탐지 장치를 관찰합니다. 분명히 이것은 멋지고 유용한 자원(재생 불가능한 자원)을 매우 낭비하는 것입니다.

 

출처: http://www.lesker.com