Mit Craig Moller - Chefingenieur, Brad Stewart - Leiter der Software- und Steuerungstechnik, und Steve Hartenberger - Produktleiter für elektrische Nachrüstungen
Wasserdampf ist überall. Selbst an einem kalten, trockenen Wintertag im Norden von Illinois ist Wasserdampf in der Luft. Wir messen den Wasserdampf in der Umgebung, indem wir den Taupunkt berechnen: die Temperatur, bei der die Luft abgekühlt werden muss, um bei einem bestimmten konstanten Druck 100% relative Feuchtigkeit zu erreichen.
Wenn also mitten im Winter die Temperatur auf kühle 10° F fällt und der örtliche Wetterexperte einen Taupunkt von -7° F meldet, bedeutet dies, dass wir - unter der Annahme, dass die Nachttemperaturen ihrem üblichen Muster folgen und der Luftdruck konstant bleibt - mit Wasserausscheidungen aus der Atmosphäre rechnen können. Dies kann dazu führen, dass sich auf kalten Oberflächen Nebel oder Reif bildet, wenn die Temperatur unter -7° F fällt.
"-7° F wäre ein sehr schlechter Taupunkt für Backfill-Gas", erklärt Craig Moller, Chefingenieur bei Ipsen. "Das ist ein zu hoher Wassergehalt. Wenn wir Prozessgase wie Argon überwachen, suchen wir normalerweise nach Taupunkten zwischen -60° F und -100° F."
Die hohen Temperaturen und niedrigen Drücke im Inneren einer Vakuumofen kann Wassermoleküle in ihre Bestandteile - Wasserstoff und Sauerstoff - zerlegen. Wird Sauerstoff in einen Wärmebehandlungsprozess eingebracht, kann dies zu einer Verfärbung oder Oxidation der Teile sowie zu einer Beschädigung der heißen Zone führen.
Überwachung des Taupunkts von Prozessgasen
Taupunktsensoren kann eine große Rolle beim Schutz von Öfen und Teilen vor Wasserdampf spielen, der durch Lecks in den Prozessgassystemen in die Kammern eindringt.
Taupunktsensoren werden in der Regel in die Leitung eines Prozessgases, wie Argon oder Stickstoff, eingebaut. Der Sensor prüft den Durchfluss auf das Vorhandensein und die Konzentration von Wasserdampf, kurz bevor das Prozessgas in die Vakuumkammer eintritt. Der Sensor ist an ein Hygrometer mit Digitalanzeige angeschlossen, das analoge, digitale und doppelte Relais-Alarmausgänge bereitstellen kann. Taupunktsensoren können genaue Informationen liefern, solange das Gas strömt, sei es mit hohem Druck oder mit einem langsamen Rinnsal. Die Sensoren können so eingestellt werden, dass sie entweder einen Messwert für eine manuelle Inspektion oder eine aktive Verfolgung durch eine Integration mit der SPS- und Ofensteuerungssoftware liefern, so dass Trends aufgezeichnet und Alarme erzeugt werden können.
"Unsere Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie verlangen in vielen ihrer Rezepte, dass bestimmte Prozess- und Abschreckgase sehr rein sein müssen. Wenn sie Prozessgase wie Argon bestellen, sind die Kosten umso höher, je trockener das Gas ist", erklärt Brad Stewart, Software and Controls Engineering Lead. "Kunden aus der Luft- und Raumfahrt wissen, dass sie bei der Verwendung von Argon für ihre Wärmebehandlungsrezepte bestimmte Taupunktstandards einhalten müssen.
Anbieter von Industriegasen können Produkte mit einer Reinheit von 99% bis hin zu 99,995% anbieten, aber die Verbindung von großen Gastanks im Freien zu den Vakuumöfen in der Produktion kann viele Meter an Rohren umfassen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass man auf diesem Weg auf viele Verbindungen, Biegungen, Armaturen und Ventile stößt. Jede Verbindung birgt das Risiko von Leckagen, die selbst bei Überdruck dazu führen können, dass Umgebungsluft (und insbesondere Wasserdampf) in das System eindringt und eine Oxidation der Teile verursacht.
Darüber hinaus gibt es Rezepte, bei denen zwei verschiedene Gase in den Ofen eingeleitet werden, z. B. Argon und Stickstoff, die jeweils eigene Taupunktspezifikationen haben. "Die meisten unserer Kunden, die diese Verfahren anwenden, wissen, dass sie (einen Taupunktsensor) benötigen, und fragen gezielt danach, ob er in einen neuen Ofen eingebaut oder bei einer Nachrüstung installiert werden soll", so Steve Hartenberger, Produktleiter für elektrische Nachrüstungen.
*Das Bernoulli-Prinzip zeigt, dass in einem Gassystem mit gerichteter Druckerzeugung von einem großen Rohr, das in ein engeres Rohr reduziert wird, der Gasdruck im engen Rohr niedriger ist als im größeren Rohr. Ein Leck in einem Abschnitt dieser engen Leitung kann wie ein Vakuum wirken und Umgebungsgase in das System ziehen.
Betreibern mit Inline-Taupunktsensoren wird empfohlen, die Taupunktmesswerte vor jedem Zyklus zu überprüfen und aufzuzeichnen. Integrierte Systeme können Taupunktmesswerte während des gesamten Zyklus melden und aufzeichnen. Wenn ein Taupunktwert außerhalb der Spezifikationen liegt, kann der Sensor angewiesen werden, einen Alarm auszulösen.
"Taupunktalarme können den Betreibern helfen, eine mögliche Oxidationsquelle zu identifizieren", erklärt Moller. "Je höher die Geschwindigkeit des Gases ist, das sich durch das Rohr bewegt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass durch ein Leck Luft angesaugt wird, und desto wahrscheinlicher wird der Alarm ausgelöst.
Wenn ein Taupunktalarm mitten im Zyklus ausgelöst wird, sollte der Bediener die Messwerte und den Teil des Prozesses, an dem der Alarm ausgelöst wurde, aufzeichnen und den Zyklus bis zum Ende laufen lassen, gefolgt von einer genauen Inspektion der Teile und der heißen Zone.
"Ein Alarm des Taupunktsensors bedeutet in der Regel, dass es an der Zeit ist, die Armaturen zu prüfen", so Moller.
Wie man die Quelle eines Taupunktproblems identifiziert:
- Blasenprüfung von Gasleitungen zur Überprüfung auf Lecks an allen Verbindungsstellen (Muffen, Bögen, Anschlussfittings und Ventile)
- Prüfung, ob das Gas im Lagertank den Reinheitsspezifikationen entspricht
- Nach Abschluss des Blasentests an den Verbindungsstellen pumpen Sie die Ofenleitung zum Gasspeichertank ab und führen einen Vakuumtest mit Helium durch.
- Wenn der Taupunktsensor immer noch außerhalb des Bereichs liegt, führen Sie einen weiteren Überdruckblasentest vom Ofen zur Gasquelle durch.