CN101171501B - 具有石英窗口传感器的嗅吸测漏器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嗅吸测漏器，其包括石英窗口传感器(16)，所述传感器设有能够选择性地透过测试气体的石英窗口(17)。所述石英窗口(17)位于连接到真空泵(13)的吸入室(15)内。为了减少响应时间，在所述吸入室(15)内设置有气体引导板(18)，所述引导板和石英窗口(17)限定狭窄的气体引导室(19)。

Description

具有石英窗口传感器的嗅吸测漏器

技术领域

本发明涉及一种具有石英窗口传感器的嗅吸测漏器，尤其是一种嗅吸测漏器，其仅需要用于测试气体的相对简单的检测装置。

背景技术

在给容器和管道系统进行测漏时，通常将氦气用作测试气体，并且使用质谱方法检测溢出的氦气。为此目的，将所述气体离子化，并且然后利用电磁场组合作用将所述气体的各个组分或它们的各个部分分离。在分离之后，使用检测器检测氦离子，然后将所述信号放大、估值。还可以用气相色谱方法检测氦气，但这种方法的检测灵敏度低。

在嗅吸测漏期间，通过嗅吸导管吸进恒定量的气体。根据通过嗅吸导管的气体通过量和氦气泄漏(在泄漏测试中，测试样件充满氦气并封闭)的泄漏率，在嗅吸的气流中产生特定的测试气体浓度。该嗅吸气体混合物的一小部分通过分流器引入到检测系统(质谱仪)中。为了在分析单元中成功地分离质量，标准检测系统中的压力必须不超过几个1×10^-4mbar。从而，对于1ppm的氦气浓度，待检测的氦气分压仅为10^-10mbar。

产生1×10^-4mbar的数量级的总压力需要使用涡轮分子泵。这种泵的使用成本很高，并且增加故障的可能性以及系统的维护费用。因此期望允许在大气条件下检测测试气体，从而能够省去涡轮分子泵和分流器。

US 6,277,177B1(Leybold Vakuum GmbH)和DE 100 31 882 A1(Leybold Vakuum GmbH)描述了用于氦气或氢气的传感器，其包括封闭真空密闭壳体的石英窗口隔膜。石英窗口隔膜形成用于待检测气体的选择性通道。设置在壳体内的测试气体传感器是响应于进入壳体的气体总压力的气体压力传感器。因为石英隔膜是气体选择性的，所以气体压力传感器确定壳体内测试气体的压力。设置在壳体内的压力传感器优选为潘宁压力传感器(penning pressure sensor)，所述潘宁压力传感器具有两个彼此隔开的平行阴极板和设置在所述阴极板之间的阳极环。包括阴极板和阳极环的电路包括用于测量阴极或阳极电流的电流测量设备。通过位于所述封闭壳体外侧的永磁体产生了磁场。这种潘宁检测器的优点在于其比包括质谱仪的嗅吸测漏器更简单并且更经济。在石英窗口技术中，所有气流都经过所述传感器。而且，在操作期间，传感器的压力可以与空气压力一致。从而，对于1ppm的氦气浓度，氦气分压是10^-3mbar，即，其比标准方法的压力高七个数量级。通过薄的石英隔膜将氦气与其它气体进行分离，所述石英隔膜仅仅允许氦气进入检测体积。

发明内容

本发明的目的是提供一种嗅吸测漏器，其具有简单经济的结构，并且具有高灵敏度。

本发明的嗅吸测漏器由权利要求1的特征限定。该嗅吸测漏器包括选择性地透过测试气体的石英窗口。待分析的气体通过嗅吸探针供送到石英窗口。所述气体流过由石英窗口限定的吸入室，使得其沿着石英窗口流动。

石英窗口传感器的优点在于能够在几个100mbar的压力下操作。与以质谱仪系统的分流器的形式的“单点”进气口形成对比，石英窗口传感器的进气口分布在覆盖几平方厘米面积的石英窗口的整个表面上。吸入室的作用是通过嗅吸导管在单点处供应的测试气体在通过真空泵吸走之前在石英窗口前面均匀地蔓延开。由于石英窗口传感器内测试气体的分压较低，所以尽管有真空泵的作用，部分测试气体还是透过石英隔膜进入壳体。通过在石英窗口前面均匀分布的测试气体流，实现了高的敏感度。

根据优选实施方式，吸入室包括与石英窗口一起限定气体引导室的气体引导板，并且嗅吸导管通入气体引导室。气体引导室明显比吸入室窄。它限定了在石英窗口前面形成的体积。嗅吸测漏器的响应时间主要由在传感器前面必须交换的气体的体积决定。改变传感器隔膜前面的气体体积所需的时间τ能够按照下面公式计算：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{pV}}{q_{\mathrm{pV}}}$

p：隔膜前面的压力；V：隔膜前面的体积；q_pV：流量。

因此，通过气体引导板减小气体引导室的体积V，从而也减小响应时间。另一方面，气体隔膜前面的气体压力p能够选择为相当高，即几个100mbar，以实现高灵敏性，因为体积已经相当小，所以获得了明显低于100ms的总转换时间。嗅吸的气体被沿着气体引导室引导而越过石英隔膜。横截面的大小根据气体引导室的最小体积和足够的流导确定。它必须足够大以使气流通畅。气体沿着石英隔膜流动之后，进入连接到真空泵的吸入室以通过限定的泵速抽走。

本发明还涉及保护嗅吸测漏器不受污染。由于氦气的存在，石英窗口氦气传感器示出在两个阶段进行的信号衰减。包括对应于传感器的真空时间常数的信号的快速衰减以及延迟的补偿气流的慢速衰减。如果嗅吸测漏器用来嗅吸充有大量氦气的空气，那么传感器的污染导致补偿的延迟。补偿的延迟程度取决于传感器另外吸取的氦气的量。为了精准快速地检漏，必须避免补偿的延迟。这以如下的方式实现，即当超过预定的信号阈值时降低传感器隔膜前面的总压力。为此，从真空泵到吸入室的吸入导管能够由包括有阀的不节流的旁通导管跨接。旁通导管能够短暂地打开以增加泵速，以该泵速抽吸石英隔膜前面的体积。因此，降低了总压力并从而降低在传感器隔膜前面的氦气的分压。从而，减少进入到传感器内的氦气的量。

在超过更高的信号阈值时，通流阀可以打开，从而石英隔膜前面的气体被空气替代。同时，充有大量探漏气体的嗅吸导管内的气体直接供应进真空泵。

石英窗口传感器在其使用寿命期间仅能够吸取限量的氦气。在自然状态下，空气具有5ppm的氦气含量，因此在操作中传感器总是从空气中吸取氦气。传感器在备用模式时吸取的部分必须减小。然而，为了在备用模式操作之后保证以高测量精度快速重启，必须保持传感器隔膜上的温度分布。在备用模式时，减小石英隔膜前面的压力。受热的传感器隔膜处的冷却效率基本上取决于隔膜前面的气体流量(而不是压力)。降低压力对流量仅具有很小的影响，因此在备用模式保持了传感器隔膜上的温度分布。替代地，在备用模式，气流可以由适当的节气阀吸入，而不是嗅吸导管。其优点在于保护嗅吸导管尖端内的颗粒物滤器。

根据本发明的优选实施方式，“大泄漏模拟”模式能够在特定的间隔中运行。在这种情况下，操作者训练系统以得到快速信号衰减。为此，嗅吸测漏器在具有大氦气泄漏率的地方嗅吸，例如10^-3mbarl/s，因此，系统能够重新“学习”在大量氦气后以快速衰减到初始水平。通常，进入到标准测漏器中的测试泄漏具有仅10^-5mbarl/s的泄漏率。为了模拟高的泄漏率，通过第一节气阀减小真空泵的泵速，使得通过嗅吸导管的流量减小约100倍。从而，当在内置测试泄漏处嗅吸时，氦气浓度以相同的倍数增加。系统将相应的较高泄漏率关联到浓度增加。这样，使用10^-5mbarl/s的测试泄漏模拟了10^-3mbarl/s的泄漏。

附图说明

下面是参照附图的本发明实施方式的详细描述。图中：

图1是根据本发明的嗅吸测漏器的第一实施方式的框图，以及

图2是嗅吸测漏器的第二实施方式的框图。

具体实施方式

参照图1，设置有基本设备10，其通过柔性嗅吸导管11连接到嗅吸探针12。能够用手引导嗅吸探针12以查找测试物体上溢出测试气体的漏缝。

基本设备10包括真空泵13，在本实施方式中，真空泵13是具有泵级13a和13b的两级泵，其设计成隔膜泵。真空泵产生约50mbar的真空。

吸入导管14从真空泵13通向吸入室15。吸入室15形成在石英窗口传感器16的前面。吸入室15的壁邻接石英窗口传感器16的壳体。石英窗口传感器16的石英窗口17被吸入室15封闭。气体引导板18设置在吸入室15中，该板以一定的距离设置在石英窗口17的对面并且与之平行。石英窗口17和气体引导板18限定气体引导室19。嗅吸导管11通入气体引导室19。气体引导室19具有侧向排出开口20，气体能够通过排出开口20进入吸入室15。气体引导室19使得气体在石英窗口17前面分布。

石英窗口传感器16设计成类似于DE 10031882A1中描述的传感器。石英窗口17由能够选择性地透过氦气的隔膜形成。而且，石英窗口传感器16包括潘宁压力传感器或者其它压力传感器，以产生表示由石英隔膜密封的壳体内的压力的电子信号。用于探测到的测试气体量的信号由此压力导出。

在真空泵13和吸入室15之间，吸入导管14包括第一节气阀D1，其确定用于“正常”模式的泵速。第一节气阀D1与旁路导管25跨接，旁路导管25包括第二节气阀D2以及与之串联的阀V2。另外，节气阀D1由包括阀V1的旁通导管26跨接。

吸入室15适于通过通流阀V3连接到环境空气。

在不节流的情况下，污染防护阀V4将嗅吸导管11连接到真空泵13的吸入入口。

吸入导管11还包括在气流中就位于阀V4前面的阀V5。阀V5是在备用模式期间用于止动流动的电磁阀，从而使得能够将石英窗口传感器16的探测器隔膜的前面的压力降低到真空泵的基本压力。

下表1示出“正常”、“备用”、“污染防护”以及“大泄漏模拟”等不同模式下各阀门V1、V2、V3和V4的相应位置。该表还示出确定泵设备泵速的元件。

表1

模式	V1	V2	V3	V4	确定泵速的元件
						正常	关	开	关	关	节气阀2
备用	开	开	开	关	节气阀3
						污染防护	开	开	开(短暂)	开	泵
大泄漏模拟	关	关	关	关	节气阀1

图2的实施方式与图1的实施方式的不同在于通流阀V3位于嗅吸导管11中，因此使气体引导室19通风。通流阀V3具有设置在其入口的节气阀D3以限制通风流量。此外，在此实施方式中，污染防护阀V4设置在嗅吸导管11和真空泵13之间。

下面的表2中给出了图2的实施方式的操作模式。

表2

模式	V1	V2	V3	V4	确定泵速的元件
						正常	关	开	关	关	节气阀2
备用	开	开	关	关	泵
						污染防护	开	开	开(短暂)	开	泵
大泄漏模拟	关	关	关	关	节气阀1

所示两种变型的不同仅在于它们在备用模式中的操作。

在第一实施方式中，在备用时，气流仍然通过嗅吸导管11。因为被嗅吸的气体从嗅吸探针12到石英窗口探测器16的过程中没有任何阀，所以系统迅速响应。

在图2的实施方式中，气流被引导通过节气阀D3。节气阀D3的流导选择成与嗅吸导管11的流导相同。从而，保证了在备用模式期间传感器窗口17处的气流与正常操作相比没有改变。而且，在此变例中，在备用操作期间，设置在嗅吸导管11中的颗粒物滤器受到保护。

Claims (10)

1.一种具有石英窗口传感器的嗅吸测漏器，包括：通过嗅吸导管(11)连接到所述石英窗口传感器(16)的嗅吸探针(12)，真空泵(13)以及位于所述石英窗口传感器(16)的石英窗口(17)前面并且连接到所述真空泵(13)的吸入室(15)，其特征在于，所述吸入室(15)包括与所述石英窗口(17)一起限定气体引导室(19)的气体引导板(18)，并且所述嗅吸导管(11)通入所述气体引导室(19)内。

2.如权利要求1所述的嗅吸测漏器，其特征在于，从所述真空泵(13)通到所述吸入室(15)的吸入导管(14)包括第一节气阀(D1)，并且所述第一节气阀(D1)能够由包括第二节气阀(D2)和第二阀(V2)的旁路导管(25)跨接。

3.如权利要求2所述的嗅吸测漏器，其特征在于，从所述真空泵(13)通到所述吸入室(15)的吸入导管(14)包括第一节气阀(D1)，并且所述第一节气阀(D1)能够由包括第一阀(V1)的不节流的旁通导管(26)跨接。

4.如权利要求3所述的嗅吸测漏器，其特征在于，为了保护所述石英窗口传感器(16)免受污染，所述嗅吸导管(11)通过污染防护阀(V4)不节流地连接到所述真空泵(13)。

5.如权利要求4所述的嗅吸测漏器，其特征在于，所述吸入室(15)设置有通流阀(V3)。

6.如权利要求5所述的嗅吸测漏器，其特征在于，所述通流阀(V3)与第三节气阀(D3)串联地连接到所述嗅吸导管(11)。

7.如权利要求3的嗅吸测漏器，其特征在于正常模式，在所述正常模式中所述旁通导管(26)关闭，并且所述旁路导管(25)打开。

8.如权利要求3所述的嗅吸测漏器，其特征在于备用模式，在所述备用模式中所述旁通导管(26)打开，并且所述旁路导管(25)打开。

9.如权利要求中5所述的嗅吸测漏器，其特征在于污染防护模式，在所述污染防护模式中所述旁通导管(26)和所述旁路导管(25)打开，所述通流阀(V3)短暂地打开，并且所述污染防护阀(V4)打开。

10.如权利要求5所述的嗅吸测漏器，其特征在于“大泄漏模拟”模式，在所述“大泄漏模拟”模式中所述旁通导管(26)，所述旁路导管(25)以及所述通流阀(V3)关闭。

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