Фотоионизационный контроль герметичности
Работа фотоионизационного газоаналитического преобразователя утечки основана на непрерывном измерении электрического тока, проходящего через газовую смесь при образовании в ней частично ионизированной плазмы. Ионизация атомов и молекул в анализируемой газовой смеси осуществляется ультрафиолетовым излучением (УФ). Разработки метода велись ещё в 1950-1960-е годы.
Фотоионизационный газоаналитический детектор. 1-3 – электроды УФ лампы; 4 – УФ лампа; 5 – окно; 6 – измерительный электрод к усилителю; 7 – потенциальный электрод к источнику питания; 8 – вход анализируемого газа; 9 – выход газа из детектора; 10 – ионизационная камера.
Детектор содержит 2 основных узла: УФ лампу и ионизационную камеру, в которую поступает анализируемая газовая смесь. Образующиеся под действием УФ излучения ионы и электроны дрейфуют в электрическом поле между двумя электродами ионизационной камеры, создавая электрический ток. В случае наличия в анализируемой газовой смеси молекул пробного газа, потенциал ионизации которых не превышает энергию квантов ионизирующего излучения, величина тока в газоразрядном промежутке возрастает пропорционально концентрации этого газа.
Основные кинетические процессы в детекторе:
- ионизация примесей УФ излучением;
- ионизация пробного газа УФ излучением;
- сбор зарядов в ионизационной камере с формированием фонового тока;
- сбор зарядов в ионизационной камере с формированием полезного сигнала.
Чувствительность прямо пропорционально зависит от интенсивности потока УФ излучения, эффективного объема ионизационной камеры и сечения ионизации молекулы газа. Типичные значения сечений фотоионизации для ряда веществ находятся в пределах (1…100) * 10-18 см2. Сечение фотоионизации в свою очередь зависит от энергии фотона и ионизационного потенциала молекулы. Для органических веществ установлено, что чувствительность детектирования повышается с увеличением углеродного числа для определенного гомологического ряда соединений. Наибольшей чувствительностью обладают ароматики, кетоны и подзамещенные соединения. Чувствительность может быть определена через статистическую характеристику αп, зависящую от величины утечки газа, или через S – коэффициент преобразования, обозначающий чувствительность детектирования утечки. Детектор чувствителен ко всем органическим веществам, кроме метана, и к большинству неорганических веществ.
Статистическая характеристика детектора утечки αп в зависимости от величины утечки q при Т = 80 °С и расходе анализируемого газа Q = 60 мл/мин
Зависимость чувствительности детектора S по потоку пропана от величины утечки q при разных расходах. Верхняя кривая - Q = 20 мл/мин; нижняя - Q = 80 мл/мин.
Фотоионизационный детектор хорошо себя проявил в автоматизированных системах контроля герметичности, в автоматизированной установке контроля герметичности (АУКГ).
Структурная схема АУКГ. КИ – контролируемое изделие; БД – блок детектирования; ИРГ – измеритель расхода газа; БУ – блок управления; Р – регистратор; БС – блок связи.
Конструктивно фотоионизационный детектор и камера пробоотбора находятся в БД. Перед поступлением газа-носителя в камеру осуществляются его очистка, стабилизация давления и расхода. Регулятор расхода газа обеспечивает плавную регулировку воздуха в пределах 10…100 мл/мин. БУ отвечает за питание фотоионизационного детектора постоянным напряжением 300 В, а также выполняет предварительное усиление выходного электрического сигнала, получаемого с детектора. Для стабильной работы детектор и камера термостатируются с помощью терморегулятора, находящегося в БУ. БС предназначен для приема аналогового сигнала, преобразования его в цифровую форму и передачи оцифрованного сигнала в персональный компьютер. Результаты контроля могут быть задокументированы на регистраторе.
Технические характеристики АУКГ
Преимущества фотоионизационного метода контроля герметичности:
- универсальность;
- высокая чувствительность;
- широкий линейный динамический диапазон;
- простота обслуживания;
- стабильность работы аппаратуры.