【泄漏检测】质谱检漏仪的工作原理详解

【泄漏检测】质谱检漏仪的工作原理详解

在工业检测领域，泄漏检测是一项至关重要的技术，广泛应用于各种设备和系统的安全性评估。本文将详细介绍质谱检漏仪的工作原理及其在泄漏检测中的应用，帮助读者深入了解这一先进的检测技术。

如今，大多数的检漏测试都会使用专门的检漏装置。与不使用专门装置的方法相比，这可以检测到更小的漏率。这些方法都是基于对专用测试气体的使用。检漏仪将测量这些测试气体与实际应用中使用的气体或检测配置周围的气体之间的物理特性差异。举例来说，测试气体与周围空气的导热性可能不同。但是，目前应用非常广泛的方法是使用氦气作为示踪气体检漏。

大多数检漏仪都是通过使用专门的测试气体进行检漏，也就是说，使用正常工作中所用介质以外的其他介质。例如，可以使用氦气作为测试气体，以及通过质谱仪来检测氦气的方式执行检漏测试，这种方法甚至可以用来检测心脏起搏器等组件，以防止正常使用时有体液进入。这一个例子就清楚地表明，检漏时需要考虑到检测介质和工作介质的不同流动特性。

卤素检漏仪

对于由 KOH 和水合氧化铁混合物浸渍并通过外部铂金加热器保持在 1472°F ~ 1652°F (800°C ~ 900°C) 的表面，分子含有氯和/或氟的气态化合物（如制冷剂 R12、R22 和 R134a）会影响此类表面的碱离子的释放。释放的离子会流至阴极，并在此处测量离子流，然后进行放大（卤素二极管原理）。这种影响显著，可以测量低至 10-7 mbar 的卤素气体分压。

此类装置在过去被用于按照真空法进行检漏测试，但由于存在与氟里昂 (CFC) 相关的一些问题，现在已更多地被吸枪装置替代。此类装置都可达到约 1 · 10-6 mbar · l/s 的检测限。按照卤素二极管原理工作的设备还可以检测 SF6。因此，吸枪装置被用于确定是否有制冷剂从制冷装置逸出，或者 SF6 型开关盒（充注有电弧抑制气体）是否有气体逸出。

质谱检漏仪

使用质谱仪检测测试气体是目前非常灵敏的检漏方法，也是行业中应用非常广泛的方法。为此开发的 MS 检漏仪可在跨越 10 的多次方的宽广范围内定量地测量漏率，其检测下限 ≈ 10-12 mbar · l/s；因此，可以使用氦气作为测试气体来验证固体固有的气体渗透性。从原理上讲，事实上可以使用质谱分析法检测所有气体。在所有可用的方案中，使用氦气作为示踪气体已被证明尤其实用。使用质谱仪检测氦气可得出绝对 (!) 的明确结果。氦气是一种空气中存在的惰性气体，它无毒、无爆炸性，在空气中的浓度仅为 5 ppm，使用起来非常经济。市面上的 MSLD 使用了两种类型的质谱仪：

a) 四极杆质谱仪，但这种仪器因设计较为精细和复杂，使用频率较低（主要是由于传感器的电源设计复杂），或者

b) 180°扇形磁场质谱仪，优点是设计相对简单。

不管采用何种工作原理，每种质谱仪都包含三个具有重要物理功能的子系统：离子源、分离系统和离子阱。离子必须能够最大程度地沿着从离子源到分离系统再到离子阱的路线移动，而不会与气体分子发生碰撞。对于所有类型的质谱仪，此路径约为 15 cm，因此需要至少 60 cm 的介质自由程长度，对应的压力约为 1 · 10-4 mbar；也就是说，质谱仪只能在真空条件下工作。因为最小真空度为 1 · 10-4 mbar，所以需要高真空。现代检漏仪会使用涡轮分子泵和合适的粗真空泵。每个器件总成都需要相关的电气和电子供电系统以及软件，以便利用微处理器实现最大程度的操作序列自动化，这包括所有的调整和校准例程以及测量值的显示。

图 5.6 检漏仪的基本工作原理

MSLD 的工作原理

图 5.6 可用于解释检漏仪的基本功能以及检漏仪与质谱仪之间的差别。该示意图显示了在真空部件上使用氦气喷射方法进行检漏时的常见配置。当喷出的氦气经过漏气点被吸入组件时，它会被抽到检漏仪的内部，然后通过排气口离开检漏仪。假设检漏仪本身不漏气，则每单位时间内流经管路每个截面（在任何所需点）的气体量会保持不变，无论管路的横截面和路径如何。下式对于进入真空泵抽取口的气体成立：

(5.4)

在所有其他点

(5.4a)

成立，但要考虑到管路损耗。

该式适用于通过管路抽取的所有气体，因此也适用于氦气。

(5.4b)

在这种情况下，每单位时间的气体量就是所检测的漏气率；不能使用总压力，而只能使用氦气的占比或氦气的分压。在质谱仪上将原子序号设置为 4（氦气）时，质谱仪就会传输该信号。Seff 的值对于每个系列的检漏仪都是常数，因此可以使用微处理器将质谱仪发送的信号乘以一个数值常数，然后将结果直接显示为漏率。

来源：莱宝真空