JP3040474B2 - 光音響漏れ検出及び方法 - Google Patents

光音響漏れ検出及び方法

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JP3040474B2
JP3040474B2 JP5504540A JP50454093A JP3040474B2 JP 3040474 B2 JP3040474 B2 JP 3040474B2 JP 5504540 A JP5504540 A JP 5504540A JP 50454093 A JP50454093 A JP 50454093A JP 3040474 B2 JP3040474 B2 JP 3040474B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般にガス漏れのアラーム及び場所決定に関
する。本発明は特に、生産ライン又は現場での気密性又
は液密性部品の漏れ検査用装置及び方法に関する。
圧縮器、熱交換器、燃料タンク、燃料及び油圧ライ
ン、圧力容器、窓及びドアのシール等の漏れ試験は、多
種多様な工業で重要な製造要件になっている。大抵の場
合、これらの部品及び／又はシステムが完全に気密液密
であるかは通常、ある形態の圧力減衰（decay）試験に
よって決定されている。この技術では、特定の過剰圧力
で被試験ユニットに空気を注入し、圧力を特定の時間の
間監視する。指定の時間間隔後に圧力が規定値以下に下
がらなければ、被試験部品は漏れがないとみなされる。
これは非常に簡単で、コスト的に有効な漏れ検査方法で
ある。この方法は、いつでも実施可能な生産ラインの漏
れ検査で使用される。しかしながら、圧力保持方法は本
質的に漏れのある／なしを検査する試験であって、作業
者にはユニットに漏れがあるかどうかだけを指摘して、
漏洩場所は数えない。更には、漏れの少ない大型部品で
は、長い時間が必要である。手順は監視期間中に生じ得
る任意の温度変化の影響も受ける。
より高感度の技術は、部品を真空にして、そして部品
をヘリウムガスで完全に包囲することからなる。真空シ
ステム内部の検出器は、部品から送出される空気中にヘ
リウムが存在するかどうかを作業者に通知する。この技
術は、10-9標準立法センチメートル／秒（scc/秒）まで
小さい漏れを検出することができるが、設置及び維持に
非常にコストがかかり、圧力減衰技術と同様、漏洩場所
を数えてくれない。
一般に、圧力減衰試験又はヘリウム漏れ試験に落ちた
部品は生産工程から外されて、ある形態の漏洩場所検出
試験に付される。加圧／浸漬、加圧／ソーピング（soap
ing）、アンモニア感応性塗料及びトレーサガスの注入
／検出が、漏洩源の正確な位置を決定するために現在使
用されている最も一般的な工業技術である。
加圧／浸漬技術は、部品を加圧し、部品を水又は他の
透明な液体に完全に浸漬し、泡発生地点を観察すること
からなる。この技術は、液体浸漬の不利な作用を受けな
い小型部品を含む状況では十分にうまく機能する。しか
しながら、この技術は通常、試験後の掃除及び／又は乾
燥工程を必要とする。この技術は、適切な照明及び表面
張力の小さい液体の使用によって、また適切な観察時間
が与えられれば、10-4scc/秒まで小さい漏れの場所を検
出することができる。これは作業が非常にきつく、時間
を消費する方法であり、作業者の長時間の極度の集中を
必要とする。これは、それほど簡単には自動化できない
漏洩場所検出技術である。
加圧／ソーピングは一般に、完全な浸漬が実用的でな
い部品又はより大型の複雑なシステムの漏洩場所を検出
するために使用される他の漏洩場所検出技術である。こ
の技術では、漏れのある部品を空気で加圧し、薄い粘性
液体（通常は石鹸）を塗布又は噴霧して、漏洩場所を示
す泡が存在するかを観察する。この技術では、液体石鹸
を漏洩部分上に置いて、石鹸が蒸発又は流出する前に泡
の生成を観察しなければならない。これは、加圧／浸漬
よりも幾分作業のきつい技術であり、絶えず試験後の掃
除を必要とする。経験を積んだ技術者によれば、この技
術で10-3scc/秒まで小さい漏れの場所を検出することが
でき、これは加圧／浸漬技術の約10分の１の感度であ
る。
加圧／アンモニア感応性塗料塗布技術では、部品を水
溶性のアンモニア感応性塗料でコーティングし、少量の
液体アンモニアを部品内に注入し、密封し、空気で加圧
する。漏洩場所からアンモニア／空気混合物が出ると、
特殊塗料が変色して、漏洩場所が正確に検出される。こ
の技術は非常にコストがかかり、有毒材料（アンモニ
ア）の使用を含み、コストのかかる試験後の掃除を必要
とする。しかしながら、この技術はしばしば部品を完全
にカバーし且つ十分に感応性がある。塗料製造業者によ
れば、観察者は、1.3気圧に加圧した直径10μｍのピン
ホールからの漏れによって生じる塗料の変色を５メート
ル離れた所から１分以内に認めることができる。同一条
件下で直径30μｍのピンホールから漏れると、１分以内
に直径6mmが変色する。これらの漏洩速度は10-3scc/秒
の範囲にあると推定される。
トレーサガスの注入／検出技術は、部品をトレーサガ
ス、通常ヘリウム（He）又はクロロフルオロカーボン
（CFC）で加圧し、外部を感知式探知器型検出器で検査
することからなる。この技術は極めて高感度であり、探
知器の入力が直接漏洩源上に置かれていれば、10-6scc/
秒まで小さい漏れの場所を検出することができる。Heア
プローチの欠点は、ガス及び検出システムのコストであ
る。しかしながら、この技術は比較的バックグラウンド
ガスの誤った読取りがない。他方では、CFCガス及び検
出器のコストは全く妥当であるが、これらの探知器は多
数の共通のバックグラウンドガスの影響を受け、CFCガ
スは環境への悪影響のために現在トレーサガスとしては
段階的に排除されている。更にはこの技術では、小さな
漏れの場所は、近くに漏れの大きい場所が存在すれば分
からなくなり得る。
従来技術 本発明は、通常光音響作用として知られ、ガス検出技
術として種々の形態で使用される物理的プロセスを含ん
でいる。例えば、Gelbwachsの米国特許出願第4,516,858
号は、多くの場所での有害ガスの濃度を監視するため
に、レーザビームが光ファイバケーブルを介して多数の
光音響セルに配分される装置を開示している。
Oehler等の米国特許出願第4,557,603号は、光音響効
果を使用する種々のガスの選択的検出装置を開示してい
る。この場合、分析すべきガスを含んでいる光音響セル
に導入される光の波長を変えるためにモノクロメータが
使用されている。
Ryan等の米国特許出願第4,622,845号は、環境から抽
出されたガス試料を含む光音響セルを照射するためにパ
ルス赤外光源及び音響光学チューナブルフィルタを使用
する装置を開示している。
前述した全ての場合では、検出すべきガスを光音響セ
ル内に導入しなければならない。次にこのセルには、セ
ル内のガスによって強く吸収されるようにスペクトルに
よって選択されるパルス光又は変調光が照射される。前
述した全ての発明の目的は、問題のガスの濃度を測定す
ることである。
“Photo−acoustic detection and ranging−a new t
ech nique for the remote detection of gases"（Bras
sington,J.Phys.D:App.Phys.,volume 15,page 219,198
2）と題する論文では、パルスレーザ及びマイクロホン
検出器を使用してガス源の存在及びその範囲を決定する
装置が説明されている。ガス源までの距離又はパルスレ
ーザビームの視軸に沿っての範囲は、レーザ光が問題の
ガスによって吸収されるときに発生する音響パルスの受
信の遅延によって決定される。この技術はパルスレーザ
を必要とし、且つガス漏れの正確な源をすぐに決定する
ことができない。
発明の説明 本発明は、気密性又は液密性の部品及び／又はシステ
ムに存在し得る漏れの検出及び場所決定のための方法及
び装置を提供する。本発明は、ガスが光を吸収するとき
に生じる光音響効果に基づく。光の波長がガスの吸収線
に一致すると、吸収エネルギはガス中の温度及び圧力を
上昇させる。吸収エネルギが十分に大きければ、圧力波
又は音響波が発生して、マイクロホンのような圧力変換
器によって検出され得る。本発明は、漏れ試験に付すべ
き部品上で走査されるパルス波、変調波若しくは連続波
のレーザビーム又は他の十分に平行化された光線からな
る。被試験部品は、走査光線を強く吸収するガスで加圧
される。漏れが生じると、出現したガスが該ガスを通過
する光を吸収して、アコースチックエミッションを生じ
る。次にこのアコースチックエミッションはマイクロホ
ン又は同様の検出器によって検出される。それから得ら
れた信号が、漏れが存在することを作業者に通知するた
めに使用され得る。更には、被試験部品上での光線の走
査が反復性の又は制御されたパターンであれば、得られ
る音響信号は、部品上の漏洩場所を示すために使用され
得る。本発明は米国特許出願第4,555,627号の後方散乱
吸収ガス撮像システム（Backscatter Absorption Gas I
maging system）への有効な追加要素である。
従って、漏れの検出及び場所決定のための新規で、改
善された方法及び装置を提供することが本発明の主な目
的である。
部品又はシステムに漏れがあることを作業者にすぐに
通知する方法を提供することが本発明の他の目的であ
る。
本発明の他の目的は、被試験部品の漏洩場所を作業者
にすぐに示すことがである。
本発明の他の目的は、被試験部品を平行化された光線
で走査し且つ得られた音響信号を検出することからなる
漏れの検出及び場所決定のための方法及び装置を提供す
ることである。
添付図面を参照すれば、当業者には本発明の前述した
目的及び他の目的が明白であろう。
図面の簡単な説明 図１は本発明の光音響漏洩場所決定／アラーム（PALL
A）システムの主要部品を示す。図２は本発明の一次元P
ALLAシステムの図である。図３は本発明のパルス又は変
調PALLAシステムの図である。
好ましい実施例の説明 本発明はガス漏れの存在及び場所を検出するための方
法及び装置である。本発明は、平行化された光の源11
と、漏洩する部品13に照射するビームの走査機構12と、
漏洩するガス15が光線16を吸収することによって発生し
た音響波を検出するための音響検出システム14とを含ん
でいる。得られた信号は、部品に漏れがあることを作業
者に通知するために使用され得るか又は光線の走査パタ
ーンと協働すれば、被試験部品13上での漏洩場所を決定
するために使用され得る。
PALLAシステムの主要部品を示すブロック図を図１に
示す。レーザビームのような平行化された光線16が、ビ
ーム走査機構12によって被試験部品13上で走査される。
光線16の波長を強く吸収するトレーサガス17が部品13に
注入されている。部品13に漏れがあれば、走査光が漏洩
するガス15を通過するときに、ガス15がこの走査光を吸
収する。光エネルギを吸収すると、漏洩するガス15内の
圧力が瞬間的且つ局所的に変動し、ガスは一般にアコー
スチックエミッション19として全ての方向に伝搬する。
このアコースチックエミッション19の周波数は、走査光
線16による漏洩するガス15への照射の周波数に依存す
る。このアコースチックエミッション19は、音響検出シ
ステム14によって検出され且つ信号処理ユニット20によ
って処理される。次に、部品13に漏れがあることを作業
者に知らせ且つ／又は作業者が漏洩源の場所を決定する
のを助けるために、得られた漏洩指示信号21がアラーム
として使用され得る。
図１の実施例は、漏洩アラーム又は漏洩場所決定のた
めに使用され得る二次元走査PALLAシステムを示してい
る。平行化された光の源11、例えば10.5514ミクロンの
波長で作動するCO2レーザからの光線は、ラスタ走査機
構12に導入される。ビーム走査は、多数の標準的な技術
（例えば二軸走査鏡機構、二軸回転多面機構、ホログラ
フィックスキャナ、音響光学スキャナ、電子光学スキャ
ナ、パン／チルトマウント又はこれらの組み合わせ）に
よって実施され得る。被試験部品13は、総二次元走査視
野18によって完全に包囲されるか又は総走査視野18を貫
くように配置されている。部品13は、10.5514ミクロン
の光を強く吸収する六フッ化硫黄（SF6）のようなトレ
ーサガス17で加圧されている。漏れが存在すれば、SF6
ガス15によるレーザ光16の吸収によって発生するアコー
スチックエミッションは、被試験部品13を対象とする指
向性ショットガンマイクロホン又は感知式マイクロホン
22と放物面反射装置23機構とによって検出される。マイ
クロホン22からの信号及びビーム走査機構12からの走査
位置決め信号26は信号処理ユニット20に委ねられる。ア
コースチックバックグラウンドノイズを除去するように
注意しなければならない。従って、信号処理ユニット20
でビーム走査周波数及び位置信号26を使用することが重
要である。アコースチックバックグラウンドノイズから
アコースチックエミッション19を取出す標準的な方法
（例えば同調マイクロホン、音響濾波、ロックイン検出
及び増幅、ディジタル信号処理又はこれらの組み合わ
せ）が、適切な漏洩指示信号21を発生するために信号処
理ユニット20で使用される。
最も簡単な用途では、図１の実施例は、総走査視野18
内での正確な漏洩場所の決定が必要でない漏洩アラーム
システムとして使用される。しかしながら、ビームラス
タ走査パターン25が二次元性であるために、正確な漏洩
場所は、幾つかの異なる技術によっても決定され得る。
最も簡単な漏洩場所検出技術は、PALLAシステムと部品
との間に小区域用ディスクを配置して部品の光線照射を
手操作にて妨げるか又は遮ることからなる。この阻止用
ディスクは部品13上を通過するときに、光線が部品13上
の小区域を照射しないようにする。阻止用ディスクが、
ガスの存在しないビームラスタ走査パターン25の領域内
にあるならば、アコースチックエミッション19は尚検出
され続ける。しかしながら、ディスクが漏洩するガス15
の存在するビームラスタ走査パターン25内の領域への光
線16の照射を妨げるように配置されると、アコースチッ
クエミッション19は止まり、漏洩源を正確に決定したこ
とを作業者に通知する。この同じ漏洩場所検出技術、即
ち被試験部品13の局所的遮蔽も、ビームラスタ走査パタ
ーン25の種々の位置で光線16を系統的に変調又はチョッ
ピングすると同時にアコースチックエミッション信号19
を示すことによって、PALLA内部で実施され得る。この
ようにして、音響信号の減少又は消失に対応する総走査
視野18内の水平位置及び垂直位置は漏洩場所を示す。
総走査視野18内の漏洩場所を決定するための比較的簡
単な第２の方法は、走査区域を一時的に小さくするか又
は視野を縮小（zoom in）し、次にアコースチックエミ
ッション信号19が最大になるまでこのように小さくした
走査区域を手動で又は自動的に被試験部品上の種々の点
に向けることである。
図２の他の実施例は、漏洩アラーム及び／又は漏洩場
所決定システムとしても使用され得るPALLAシステムの
一次元型を示している。この実施例では、平行化された
光線11は走査機構12によって一方向にのみ、即ち一次元
ライン走査パターン29で走査され、その一方でトレーサ
ガス17で加圧された被試験部品13が横断方向に移動し
て、漏れ検出の目的への完全な合致を提供する。図１に
実施例に関して言えば、アコースチックエミッション信
号19の処理は、オペレーションの単純なアラームモード
を考慮に入れるようなものであるか又は漏洩場所検出情
報をを提供するためにライン走査位置信号26及び部品13
の横断方向の移動と相関され得る。
図３の実施例は、漏洩アラーム及び／又は漏洩場所決
定システムとして使用され得る本発明の他の形態であ
る。この実施例では、変調又はパルス光源24が、被試験
部品13上の又は該部品よりも僅かに広い区域28を照射す
るために焦点に集められる。部品13は、光源24からの輻
射線を強く吸収するトレーサガス15で加圧されている。
漏れが存在すると、漏洩するトレーサガス15が光を吸収
して、光線24の変調周波数又はパルス繰り返し率（puls
erate）と同調するアコースチックエミッション19を発
生する。このアコースチックエミッション19は、音響検
出システム14によって検出され、且つ光源パルス繰り返
し率信号27を使用して信号処理ユニット20によって処理
されて、漏洩指示信号21を生成する。この漏洩指示信号
は、被試験部品13に漏れがあることを作業者に通知する
ために使用され得るか、又は知られている被試験部品13
上の照射区域28の位置と共に、正確な漏洩場所を決定す
るために使用され得る。
被試験部品上でレーザビームの二次元ラスタ走査を実
施する後方散乱吸収ガス撮像（BAGI）システムの２つの
実施例が、本発明の共同発明者であるMcRaeによる米国
特許出願第4,555,627号に示されている。同期走査機構
は従来の赤外撮像装置（IR imager）（例えばInframetr
ics,Inc.製のモデル500L Fast Scan IR Thermal I
mager）の変形であり、現在レーザ撮像システム（LIS）
のGasVue漏洩場所決定システムで使用されている。
本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲
を逸脱せずに本発明に種々の変形を加えてもよい。本発
明の範囲を逸脱せずに特に明記した実施例に変形を加え
ることができ、これらの変形は以下の請求の範囲によっ
てのみ限定されるものとする。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 米国特許3925666（ＵＳ，Ａ) 米国特許4516858（ＵＳ，Ａ) 米国特許4622845（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01M 3/38 G01M 3/24 G01M 3/20

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】気密性又は液密性の被試験部品から発生す
    るガス漏れの迅速な検出及び／又は場所決定のための装
    置であって、 漏洩するガスによって強く吸収される波長の平行化され
    た光線を提供するための光源と、 前記光源と光学的に整列された、前記光線を前記被試験
    部品上で所与のパターンにて走査し且つ走査位置決め信
    号出力を提供するためのビーム走査手段と、 前記ガス漏れが前記光線を吸収することによって発生し
    た音響波を検出し且つアコースチックエミッションに比
    例する電気信号を生成するための音響検出手段と、 前記ビーム走査手段及び前記音響検出手段に接続され
    た、バックグラウンドアコースチックエミッションから
    ガス漏れアコースチックエミッションを取出し且つ漏洩
    指示信号を生成するための信号処理手段 とを含んでいる装置。
  2. 【請求項２】前記ガス漏れが被試験部品内に注入された
    六フッ化硫黄からなる請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記光源がレーザを含む請求項１に記載の
    装置。
  4. 【請求項４】前記レーザが10.5514ミクロンの波長で作
    動するCO2レーザを含む請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記被試験部品が、前記光線の二次元ラス
    タ型走査によって照射されるように位置決めされている
    請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記光線及びビーム走査が、後方散乱吸収
    ガス撮像（BAGI）システムによって提供される請求項５
    に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記被試験部品が一次元で前記光線によっ
    て走査されるように位置決めされ、前記部品が横断方向
    に移動して、漏れ検出への完全な合致を提供する請求項
    １に記載の装置。
  8. 【請求項８】前記光源が、前記被試験部品上の又は該部
    品よりも僅かに広い区域を照射するために焦点に集めら
    れた変調又はパルス光源を含み、前記アコースチックエ
    ミッションが前記光源の変調周波数又はパルス繰り返し
    率と同調する請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】気密性又は液密性の被試験部品から発生す
    るSF6トレーサガスの漏れの迅速な検出及び場所決定の
    ための装置であって、 10.5514ミクロンの波長で作動するCO2レーザと、ラスタ
    走査機構を含み、前記レーザと光学的に整列された、前
    記レーザを前記被試験部品上で走査し且つ走査位置決め
    信号出力を提供するためのビーム走査手段と、 前記の漏洩するSF6トレーサガスが前記レーザビームを
    吸収することによって発生した音響波を検出し且つアコ
    ースチックエミッション信号を生成するための音響検出
    手段であって、指向性ショットガンマイクロホン又は感
    知式マイクロホンと放物面反射装置機構とからなる音響
    検出手段と、 前記ビーム走査手段及び前記検出手段に接続された、バ
    ックグラウンドアコースチックエミッションを除去し且
    つ漏洩位置指示信号を生成するための信号処理手段 とを含んでいる装置。
  10. 【請求項１０】気密性又は液密性の被試験部品から発生
    するガス漏れの検出及び／又は場所決定のための方法で
    あって、前記被試験部品内にトレーサガスを注入し、 トレーサガスによって強く吸収される波長の平行化され
    た光線を所与のパターンで走査して、所与の視野での前
    記光線の場所を示すビーム位置信号を生成し、 前記トレーサガスが前記光線を吸収することによって発
    生したアコースチックエミッションを検出し、且つ 検出された前記音響波をビーム位置信号に関連して処理
    して、漏れの存在及び／又は場所を指示する漏洩指示信
    号を提供する 段階を含んでいる方法。
  11. 【請求項１１】前記所与のパターンが前記光線の二次元
    走査パターンからなる請求項10に記載の方法。
  12. 【請求項１２】前記所与のパターンが前記部品の横断方
    向の移動及び前記光線による一次元走査からなる請求項
    10に記載の方法。
  13. 【請求項１３】パルス光源が被試験部品を完全に又は部
    分的に照射するように整列されて、前記光線の変調周波
    数又はパルス速度と同調するアコースチックエミッショ
    ンを前記漏洩するトレーサガスから生じる請求項10に記
    載の方法。
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