Prueba de fugas con gas indicador de hidrógeno en vacío

Los usuarios de sistemas de detección de fugas de vacío a menudo recurren a INFICON porque quieren dejar de utilizar el helio para empezar a usar las mezclas de hidrógeno y nitrógeno (5% de hidrógeno, 95% de nitrógeno). Si se utiliza un espectrómetro de masas y se cambia simplemente del helio a las mezclas de hidrógeno y nitrógeno, esto puede provocar una reducción de la sensibilidad del orden de aproximadamente 10.000 veces. En este artículo se explicarán los detalles de esta limitación.

En la detección de fugas de vacío, la menor velocidad de fuga detectable queda determinada por dos características:

  • La menor velocidad de fuga detectable del detector de fugas utilizado
  • La concentración de fondo del gas indicador en la cámara de vacío tal y como la mide el detector

El detector de hidrógeno más sensible para aplicaciones de vacío es el espectrómetro de masas. En una prueba de laboratorio honesta, si se utilizan unos tiempos de bombeo muy prolongados, solo existe una escasa diferencia en la sensibilidad para la detección de helio e hidrógeno, respectivamente. El factor limitador para las pruebas de fugas en vacío con hidrógeno es la concentración de fondo.

Tres factores influencian las concentraciones de fondo de hidrógeno:

  • La concentración natural en el aire ambiente.
  • La velocidad de liberación de gases de las superficies
  • La velocidad de descomposición térmica (agrietamiento) de los compuestos de hidrógeno en el filamento del espectrómetro.

Debido a que la concentración natural de hidrógeno en el aire es de unos 0,5 ppm en comparación con los 5 ppm de helio, el entorno natural no debería suponer un problema. Sin embargo, cuando se trabaja en el rango de presión mbar, otras muchas sustancias, que se encuentran presentes normalmente, comienzan a desgasificar o a liberar gases. En un espectrómetro de masas esto aumentará la señal de hidrógeno.

Cómo afecta la liberación de gases a la sensibilidad de la detección de hidrógeno

El hidrógeno es un gas reactivo y numerosos compuestos como el agua (humedad) o los hidrocarburos (aceite, grasa, disolventes, etc.) contienen varios átomos de hidrógeno. La mayoría de los objetos utilizados en un entorno industrial están "cubiertos" por una fina película invisible de aceite, grasa, humedad, etc. Cuando se extrae el vacío, muchas de estas sustancias se evaporan y salen del espectrómetro mientras que otras se descomponen y producen hidrógeno. Esto provoca una señal de fondo muy elevada.

El helio, sin embargo, es un gas inerte que no reacciona químicamente con otras sustancias y que no está presente en ningún compuesto. Por tanto, no es posible generar helio a partir de la descomposición de los compuestos.

En un entorno industrial con velocidades de producción normales, habrá un fondo de hidrógeno aproximadamente 1.000 veces mayor que el fondo de helio correspondiente. Esto hace que la prueba de fugas con hidrógeno en una cámara de vacío estándar sea una tecnología de prueba muy poco sensible. La menor velocidad de fuga detectable correspondiente al fondo de hidrógeno se encuentra en el rango de 10-5 mbar l/s si se utiliza hidrógeno al 100%.

Por cuestiones de seguridad, el hidrógeno no se utiliza en una forma pura, si no que se mezcla siempre con nitrógeno (5% de hidrógeno en 95% de nitrógeno). Considerando este factor de dilución, la menor fuga detectable es unas 20.000 veces mayor que la que se detectaría con helio.

Por tanto, la menor velocidad de fuga factible para las mezclas de hidrógeno y nitrógeno en una prueba de cámara de vacío de espectrometría de masas estándar se encuentra alrededor de 2*10-4 mbar l/s, en el caso de una cámara pequeña. Para cámaras de mayor tamaño, la liberación de gases de las superficies aumentará y la menor velocidad de fuga detectable será aún mayor.

Sin embargo, es posible mejorar la sensibilidad si se toman medidas en el diseño del sistema de la cámara de vacío para limitar la cantidad de sustancias que liberan gases que llegan al espectrómetro de masas. Para llevar a cabo estas medidas, es necesario que el usuario final, el integrador del sistema e INFICON colaboren estrechamente.

Importante destacar: la dilución de helio al 1% sigue siendo más de 100 veces mejor que la utilización de una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en una cámara de vacío estándar.

También existen otros detectores de hidrógeno, como Sensistor ISH2000 de INFICON, que no producen hidrógeno a partir de compuestos. Sin embargo, este detector es menos sensible y no se considera adecuado para cámaras de gran tamaño que requieran presiones en mbar.

Conclusión

Las pruebas en cámara de vacío de componentes de automoción para sustancias gaseosas, como airbags o tanques de combustible para automóviles, requieren la sensibilidad que solo un espectrómetro de masas puede ofrecer. Generalmente, no se recomienda el uso de hidrógeno en este tipo de aplicaciones.

Los objetos pequeños y los objetos con especificaciones de fugas menos estrictas (>1x10-4 mbar l/s) como, por ejemplo, piezas destinadas a aplicaciones con agua, aceite u otros líquidos, también se pueden probar en cámaras de acumulación atmosférica con helio o hidrógeno.

Para obtener más información sobre cómo las pruebas de fuga con gas indicador de hidrógeno pueden mejorar su proceso, póngase en contacto con su oficina local de INFICON.