Brevet FR2366553A1 — publié le 19780428

La présente invention a pour objet un procédé de contrôle de l'étanchéité dgune enceinte partir de hélium naturel de l'air et un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Parmi les nombreuses méthodes de détection de fuites à l'aide de l'hélium, le plus utilisé consiste à maintenir sous vide l'enceinte à contrôler, à remplacer l'air ambiant baignant les parois extérieures de l'enceinte par un gaz traceur contenant un pourcentage élevé d'hélium et à mesurer la pression partielle d'hélium dans l'enceinte. Une telle méthode est décrite, par exemple, dans l'ouvrage : "Pratique du Contrôle de l'Etanchéité à l'hélium" par L. Maurice. Dans un tel procédé, l'évolution de la pression partielle d'hélium à I'intérieur de l'enceinte dépend de l'importance de la fuite, de la proportion d'hélium utilisée dans le gaz traceur, de la vitesse de pompage de l'hélium par le groupe de pompage maintenant le vide dans l'enceinte et enfin de la vitesse de pompage de l'hélium au niveau de la cellule de mesure. Si l'on veut effectuer une mesure absolue du débit de fuite, il est nécessaire d'effectuer un étalonnage de l'appareil au moyen d'une fuite étalon. La valeur Q de la fuite recherchée exprimée en torr.l/s est alors donnée par la formule Q=NXQx x Qfe x y avec Qfe = valeur de la fuite étalon en torr.l/s. Y = signal dû à la fuite recherchée, Yfe = signal dû à la fuite étalon, N = concentration d'hélium dans le gaz traceur exprimé en %. Cette formule exprime d'une part, la correspondance linéaire entre la valeur de la fuite et la valeur du signal Y mesuré et, d'autre part, la dépendance vis-à-vis de la proportion N en hélium du gaz traceur L'évaluation précise d'une fuite exige donc que cette proportion soit connue, homogène et stable, pendant toute la durée de la mesure. L'atmosphère artificielle créée autour de l'enceinte est obtenue par l'émis- sion de jets de gaz traceur. Mais le mélange entre ce gaz et l'atmosphère ne s'effectue pas instantanément, de sorte que la concentration en hélium peut entre grande au voisinage des points d'émission et faible en d'autres points. Ce n'est donc qu'après une période assez longue, qui dépend d'ailleurs du brassage de l'air, que la concentration en hélium pourra être considérée comme homogène.Néanmoins, cette concentration, même lorsque l'homogénéité est obtenue, ne peut demeurer constante car l'hélium diffuse inévitablement dans l'air extérieur. Toutes ces difficultés sont accentuées lorsque l'enceinte dont on veut contrôler l'étanchéité est de très grandes dimensions. L'incertitude sur la valeur N de la concentration en hélium du gaz traceur et les variations de cette concentration pendant la mesure, rendent donc très difficile l'évaluation précise d'une fuite. Cette difficulté est encore augmentée si le temps de mesure est long, par exemple de l'ordre d'une heure, et si les dimensions du local contenant l'enceinte à contrôler sont de l'ordre de quelques dizaines de milliers de mètres cubes. La présente invention a justement pour objet un procédé et un dispositif qui évitent ces inconvénients, notamment en ce qu'ils permettent d'utiliser l'hélium naturel de l'air. Comme cet hélium est en concentration stable et homogène, les difficultés propres aux procédés antérieurs se trouvent résolues. De plus, la consommation d'hélium est réduite à. néant puisqu'on utilise l'hélium naturel présent dans l'air. Mais comme cet hélium est, dans l'air, en concen tration beaucoup plus faible (de l'ordre de 5o10 4 %) que dans les gaz traceurs utilisés jusqu'alors (de l'ordre de 0,5 % et 100 %), il est nécessaire de prévoir des opérations et des moyens particuliers pour que, malgré cette très faible concentration, un signal de mesure convenable puisse être détecté. A cette fin et selon l'invention, l'enceinte est d'abord mise sous vide puis le-pompage est interrompu ; on mesure ensuite l'évolution de la pression partielle d'hélium dans l'enceinte en tirant parti de l'effet cumulatif dû à l'absence de pompage ; les informations obtenues sont alors proportionnelles au temps d'accumulation. Selon l'invention, et pour éviter d'avoir à analyser la totalité du volume de gaz s'accumulant dans I'enceinte, on procède par des prises d'échantillons. Pour cela, on prélève, à des intervalles de temps déterminés, une fraction de l'atmosphère régnant à 13intérieur de l'enceinte Ce prélèvement s'effectue dans une enceinte de mesure dont le volume est négligeable par rapport au volume de leins- tallation à contrôler.Cette enceinte de mesure est associée à un piège à sorption et à un detecteur de fuite de type connu, qui est avantageusement un spectromètre de masse calé sur l'hélium. L'enregistrement de l'évolution de la pression partielle d'hélium aux instants de mesure permet de tracer une droite dont la pente est directement proportionnelle à la fuite qui affecte l'étanchéité de l'enceinte De façon plus précise, la présente invention a pour objet un procédé de contrôle de l'étanchéité d'une enceinte à partir de l'hélium naturel de l'air, caractérisé en ce que - on met sous vide statique l'enceinte à contrôler, l'exte- rieur de l'enceinte baignant dans l'air ambiant, - on effectue une suite de prélèvements de l'atmosphère con tenue dans l'enceinte en mettant en communication, pendant une suite d'intervalles de temps déterminés, ladite enceinte avec une enceinte de mesure de volume très inférieur au volume de l'enceinte à contrôler, - on mesure la pression partielle de l'hélium dans chacun des prélèvements contenus dans l'enceinte de mesure, - on enregistre l'accroissement de la pression partielle d'hélium, d'un prélèvement à l'autre, - on déduit de la valeur de cet accroissement, la grandeur de la fuite affectant l'enceinte. Le volume de l'enceinte de mesure est par exemple inférieur au 1/10 de celui de l'enceinte à contrôler. Ce procédé donne une mesure relative de la fuite affectant l'enceinte. Si l'on désire obtenir une mesure absolue, il faut effectuer, en outre une opération d'étalonnage. Cet étalonnage s'effectue en mettant en communication, pendant une suite d'intervalles de temps déterminés, l'enceinte de mesure avec une enceinte de reférence affectée d'une fuite connue alimentée en hélium. On déduit la valeur absolue de la fuite affectant l'enceinte à contrôler de la comparaison des accroissements de la pression partielle d'hélium provenant, d'une part de l'enceinte à contrôler et d'autre part, de l'enceinte de référence. Le procédé qui vient d'être défini peut s'appliquer au cas où l'enceinte à contrôler est composée de plusieurs enceintes communiquant entre elles, Dans le cas de deux enceintes, l'enregistrement des accroissements des pressions partielles d'hélium dans chacune des deux enceintes permet de déterminer les fuites qui affectent chacune des deux enceintes. La présente invention a également pour objet un dispositif de contrôle de l'étanchéité d'une enceinte, qui met en oeuvre le procédé qui vient d'être défini. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend - un moyen de pompage de l'enceinte à contrôler - une enceinte de mesure, de volume très inférieur au volume de l'enceinte à contrôler, - un conduit muni d'une vanne reliant ladite enceinte de mesure à l'enceinte à contrôler, - un piège à sorption, - un conduit muni d'une vanne reliant ledit piège à sorption à ladite enceinte de mesure, - un détecteur de fuite relié au piège à sorption et adapté à la mesure de la pression d'hélium. Si l'on désire obtenir une valeur absolue de la fuite, le dispositif doit comprendre en outre des moyens d'étalonnage constitués de préférence par une enceinte de référence affectée dsune fuite étalon alimentée en hélium. De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente le schéma synoptique du dispositif objet de l'invention, - la figure 2 illustre les moyens d'étalonnage de l'appareil, selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 illustre ces moyens dans un second mode de réalisation, - la figure 4 represente des courbes d'étalonnage, - la figure 5 représente schématiquement deux enceintes communicantes dont on contrôle l'étanchéité, - la figure 6 représente deux courbes illustrant l'évolution des pressions partielles d'hélium dans chacune des deux enceintes de la figure 5. Sur la figure 1, est représenté le schéma synoptique du dispositif, objet de la présente invention. Cette figure permet, en même temps de préciser le procédé qui est mis en oeuvre. L'enceinte dont on veut contrôler l'étanchéité porte la référence 10. L'enceinte baigne dans l'air ambiant 12. Des moyens de pompage 14, munis d'une vanne 15, permettent d'établir le vide dans l'enceinte à contrôler. Une enceinte de mesure 16, de volume très inférieur au volume de l'enceinte à contrôler 10, est reliée à cette dernière par un conduit 18 muni d'une vanne 20 Un piège à sorption 22 est relié à l'enceinte de mesure 16 par un conduit 24 muni d'une vanne 26.Un détecteur de fuites 28, comprend avantageusement une cellule de mesure 30 constituée, par exemple, par un spectromètre de masse calé sur l'hélium, et un ensemble de pompage 32 constitué par une pompe à diffusion 34 associée à une pompe primaire 36. Ces moyens de pompage 32 sont reliés au dispositif de mesure 30 et au piège à sorption 22 par une canalisation 38 munie d'une vanne 40. En outre, le dispositif représenté sur la figure 1 comprend des moyens d'étalonnage 42 reliés à l'enceinte de mesure 16 par un conduit 44 muni d'une vanne 46. Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant. La vanne 15 est ouverte et le vide est effectué dans l'enceinte 10 par les moyens de pompage 14 Lorsque ce vide est établi la vanne 15 est fermée. Un tel vide est dit statique en ce sens qu'il n'est pas entretenu par les moyens de pompage, contrairement aux méthodes de l'art antérieur ot l'enceinte à contrô*' ler est toujours maintenue sous vide par.des mayens de pompage. Pendant l'opération de pompage, les vannes 20 et 46 sont fermées et les vannes 26 et 40 ouvertes. L'enceinte de mesure 16 et les canalisations 24 et 38 sont donc mises sous vide grâce aux moyens de pompage 32. Pour réaliser un prélèvement, on opère de la manière suivante : la vanne 26 est fermée, ce qui isole l'enceinte de mesure 16 des moyens de pompage 32 ; la vanne 20 est ouverte pendant une durée suffisante pour que la pression de l'enceinte 10 s'établisse dans l'enceinte de mesure 16. La vanne 20 est ensuite refermée, le prélèvement se trouvant ainsi isolé dans l'enceinte de mesure 16. La mesure du prélèvement s'effectue de la manière suivante. La vanne 40 est fermée, ce qui isole le dispositif de mesure 30 des moyens de pompage 32. Puis, la vanne 26 est ouverte ce qui met en communication le dispositif de mesure 30 avec l'enceinte de mesure 16. Le piège a sorption 22 placé entre l'enceinte de mesure et le détecteur 28 élimine les effets de la pression totale régnant dans l'enceinte de mesure 16 sur la cellule d'analyse 30 du détecteur, Cette cellule donne alors une indication proportionnelle à la pression partielle d'hélium qui règne dans l'enceinte de mesure 16. Cette indication est proportionnelle à la pression partielle d'hélium régnant dans l'enceinte 10. Le retour aux conditions initiales s'effectue par l'ouverture de la vanne 40 qui provoque le pompage des gaz contenus dans l'enceinte de mesure 16, dans les canalisations 24 et 38 dans le piège à sorption 22 et dans le dispositif de mesure 30. L'opération d'étalonnage commence par la mise en communication des moyens 42 avec l'enceinte de mesure 16, par ouverture de la vanne 46 L'enceinte 16 reçoit alors une quantité déterminée d'hélium, qui peut être mesurée par les moyens 30 après fermeture de la-vanne 40 et ouverture de la vanne 26. L'indication donnée par le dispositif de mesure 30 est proportionnelle à la pression partielle d'hélium provenant des-moyens d'étalonnage 42. La comparaison entre cette valeur et la valeur mesurée avec l'enceinte 10 à contrôler permet de déterminer la valeur absolue de la fuite qui affecte l'étanchéité de l'enceinte 10. Les figures 2 et 3 illustrent de façon plus détaillée la structure des moyens d'étalonnage, dans deux modes de réalisation privilégiés, Sur ces figures, on retrouve des moyens déjà décrits à propos de la figure 1 et qui, pour simplifier, portent les mêmes références. Ces figures 2 et 3 illustrent pour la première, des moyens permettant d'effectuer un étalonnage dynamique et, pour la seconde, des moyens permettant d'effectuer un étalonnage statique. Sur la figure 2, les moyens représentés comprennent une fuite étalon 50 d'hélium à 100 %, reliée à la canalisation 24 par une vanne 52, et une fuite calibrée 52 d'hélium à la concentration de l'air, reliée à la même canalisation 24 par une vanne 54. Les moyens d'étalonnage comprennent, en outre, une pompe 56 de reprise des fuites 50 et 52 et reliée à celles-ci par des vannes 58 et 60. Le volume compris entre les deux vannes 20 et 26 est désigné par v et le volume compris entre la vanne 26 et la vanne 40 est désigné par v2. Si l'on désigne par - Q la fuite à mesurer exprimée en torr.l/s, - Qfe la fuite étalon d'hélium à 100% provenant des moyens 50, Q Q c la fuite calibrée provenant des moyens 52, - N1 le pourcentage d'hélium dans l'air, - v le volume de l'enceinte à contrôler, en litres, - S la vitesse de pompage de l'hélium au niveau de la cellule d'analyse par les moyens de pompage 32, - Yfe le signal engendré par la fuite étalon Q Y Yc le signal engendré par la fuite à mesurer - QYx l'accroissement du signal dû à la fuite - QtX le temps d'accumulation dans l'enceinte 10 exprimé en secondes, la quantité Q cherchée est égale à 100 v1 + v2 0fe 1 AYx Q = . v . . . . N1 v1 Yfe S #tx Cette relation n'est autre que la relation donnée plus haut dans laquelle les coefficients de proportionnalité ont été remplacés par la valeur des signaux obtenus par étalonnage. Si au lieu d'utiliser une fuite étalon d'hélium à 100 %, on utilise la fuite calibrée 52 traversée par l'air ambiant, la formule précédente devient v1 + v2 Qc 1 Q = v . v1 Y S 7 c x Dans le cas envisagé l'étalonnage présente un caractère dynamique puisqu'il tient compte de la vitesse S de pompage de l'hélium au niveau de la cellule d'analyse. Mais il peut s'effectuer aussi de manière statique en utilisant les moyens d'étalonnage de la figure 3. Ces moyens comprennent, en plus de la fuite étalon d'hélium 50, la fuite calibrée 52 et la pompe 56 déjà décrites, une enceinte de référence 62 reliée aux fuites 50 et 52 par des vannes 64 et 66. L'ouverture de l'une ou l'autre de ces vannes (selon que l'on utilise la fuite étalon à 100 % d'hélium ou la fuite calibrée traversée par l'air) permet de provoquer l'accroissement de la pression partielle d'hélium dans l'enceinte de référence 62. Si l'on désigne par v3 le volume de cette enceinte, l'expression de la fuite recherchée devient Q- 100 v AYx tfe N1 v fe # AYfe tx lorsqu'on utilise la fuite étalon d'hélium à 100%, et AY At - v Q x c Q = v3 . Qc . #Yc . #tx lorsqu'on utilise la fuite calibrée traversée par l'air. La figure 4 représente des courbes d'étalonnage obtenues avec le dispositif de la présente invention. Sur le graphique représenté, le temps figure en abscisses et est exprimé en secondes et le signal délivré par le détecteur de fuite en ordonnée. La valeur Y de ce signal est reliée à la pression partielle d'hélium par une loi linéaire de la forme y = kp où k est de l'ordre de 4.109 pour les détecteurs habituels. Le diagramme de la figure 4 représente, pour quelques valeurs de fuites Q prises comme paramètre (10 3, 10 4, 2.10 5, 2.10 7 en torr.l/s/m3), les signaux obtenus en fonction du temps. L 'analyse de ces droites montre qu'une sensibilité équivalente à celle de la méthode classique est atteinte après une durée d'accumulation d'environ 10 heures et que des fuites de l'ordre de torr.l/s/m3 sont détectables par le procédé et le dispositif de l'invention, après un temps d'accumulation de l'ordre d'une heure. Le procédé qui vient d'être décrit peut être appliqué lorsque l'enceinte dont on veut contrôler l'étanchéité est constituée de plusieurs enceintes communicantes. A titre explicatif, on envisage le cas où ces enceintes sont au nombre de deux, comme il est représenté sur la figure 5. Sur cette figure, les enceintes 70 et 72 communiquent par un conduit 74 ; elles sont reliées à des moyens 76 et 78 analogues à ceux qui ont été représentés sur la figure 1. Ces moyens permettent de déterminer, par prélèvement, les pressions partielles d'hélium contenu dans chacune des deux enceintes.Si p1, p2 désignent ces pressions partielles, on peut décrire leur évolution par les deux équations couplées suivantes équations dans lesquelles C désigne la conductance de la canalisation 74 reliant les deux enceintes, O' et Q" les fuites qui affectent respectivement les enceintes 70 et 72, et t le temps. La loi de variation de ces pressions est représentée sur les courbes de la figure 6 rapportée, à deux axes rectangulaires où sont portés, en ordonnée, la pression partielle p, et en abscisses, le temps. Pour une pression donnée, le retard a de la pression partielle p2 par rapport à la pression p1 a pour valeur V Q' - Q" a = C Q' + Q" A un instant donné l'écart b entre les pressions p1 et P2 est égal à b = Q' - Q" 2C La mesure de ces deux paramètres, retard a et écart b, permet de calculer les fuites Q' et Q" affectant chacune des enceintes Q' = b (v + C) a Q" = b (v - C) a REVENDICATIONS 1. Procédé de controle de l'étanchéité d'une enceinte à partir de l'hélium naturel de l'air, caractérisé en ce que - on met sous vide statique l'enceinte à contrôler, l'exte- rieur de l'enceinte baignant dans l'air ambiant, - on effectue une suite de prélèvements de l'atmosphère contenue dans l'enceinte en mettant en communication, pendant une suite d'intervalles de temps déterminés, ladite enceinte avec une enceinte de mesure, de volume très inférieur au volume de l'enceinte à contrôler, - on mesure la pression partielle d'hélium dans chacun des prélèvements contenus dans l'enceinte de mesure, - on enregistre l'accroissement de la pression partielle d'hélium, d'un prélèvement à l'autre, - on déduit de la valeur de cet accroissement, la grandeur de la fuite affectant l'enceinte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue, en outre, une opération d'étalonnage qui consiste en ce que - on effectue une suite de prélèvements étalons en mettant en communication, pendant une suite d'intervalles de temps déterminés, l'enceinte de mesure avec une enceinte de réfé rence affectée d'une fuite connue alimentée en hélium, - on mesure la pression partielle d'hélium dans chacun desdits prélèvements étalons, - on enregistre l'accroissement de la pression partielle d'hélium, d'un prélèvement étalon à l'autre, - on déduit la valeur absolue de la fuite affectant l'enceinte à contrôler de la comparaison entre l'accroissement mesuré de la pression partielle d'hélium provenant de l'enceinte et l'accroissement de la pression partielle d'hélium provenant de l'enceinte de référence. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, l'enceinte à contrôler étant composée de deux enceintes communiquant l'une avec l'autre, - on enregistre l'accroissement de la pression partielle d'hélium dans chacune des deux enceintes, - on mesure le décalage dans le temps, à une pression donnée, d'un accroissement par rapport à l'autre, - on mesure le décalage en pression, à un instant donné, d'un accroissement par rapport à l'autre, - on déduit de la valeur de ces deux décalages la valeur des fuites affectant chacune des deux enceintes. 4. Dispositif de contrôle de l'étanchéité d'une enceinte, mettant en oeuvre le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - un moyen de pompage de l'enceinte à contrôler, - une enceinte de mesure, de volume très inférieur au volume de l'enceinte à contrôler, - un conduit muni d'une vanne reliant ladite enceinte.de mesure à l'enceinte à contrôler, - un piège à sorption, - un conduit muni d'une vanne reliant ledit piège à sorption à ladite enceinte de mesure, - un détecteur de fuite relié au piège à sorption et adapté à la mesure de la pression d'hélium. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une enceinte de référence affectée d'une fuite étalon alimentée en hélium et un conduit muni d'une vanne reliant ladite enceinte étalon à ladite enceinte de mesure. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit détecteur de fuite comprend une cellule d'analyse constituée par un spectromètre de masse calé sur l'hélium et un ensemble de pompage. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte étalon comprend une enceinte affectée d'une fuite calibrée d'air, ou une fuite étalon d'hélium pur.