CN104040317A - 尺寸稳定/松弛包装的没有附加的测量气体的快速泄漏检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对检测试样12进行泄漏检测的装置，具有用于放置检测试样12的可抽真空的测试室14。测试室设置有由柔性材料，特别是弹性材料制成的至少一个壁区。为了具有更精确的泄漏检测，对测试室内的总压强增加级数进行测定。

Description

尺寸稳定/松弛包装的没有附加的测量气体的快速泄漏检测

技术领域

本发明涉及一种对检测试样进行泄漏检测的装置。

背景技术

一般来说，检测试样如食品包装的泄漏，是通过将检测试样放置在一个刚性测试室来测试的。此后，测试室被排空并且测试室与泵分开后对测试室中的压强级数进行测量。如果检测试样有泄漏，气体从检测试样溢出到测试室，因此测试室的压强上升。压强增加被测量到并且作为包装中存在泄漏的指示。

已知的泄漏检测方法的一个问题是测试室内的压强不仅受检测试样的泄漏影响，还受测试室中的温度变化的影响或受测试室的内表面的气体解吸影响，因此，在泄漏检测中产生测量误差。这些干扰的影响越大，测试室的体积越大和在测量过程中测试室中的压强越高。出于实际的原因，测试室的体积不能随意减少，因为检测试样的形状、大小和数量需要一定的室体积。进一步，不可能随意减少在测量过程中测试室中的压强，因为有检测试样变形，损坏甚至破裂的风险，特别是软的，尺寸不稳定的检测试样，例如包装。

进一步，已知测试室里至少一个壁部以及优选整个测试室由柔性材料，优选弹性变形材料例如薄膜制成。柔性的壁部形成于该室中检测试样在泄漏测量过程放置的区域。因为测试室中的压强减少，该柔性的室壁贴着该检测试样，因此室体积减少。因此，干扰测试的影响，特别是由温度变化引起的压强变化减少。此外，贴着检测试样的柔性壁部支撑该检测试样并防止检测试样变形甚至破裂。这特别对尺寸不稳定的检测试样如包装是有利的。

这种薄膜测试室描述于例如JP-A62-112027、EP0152981A1以及EP0741288B1。JP-A62-112027描述了通过气体探测器检测逃逸的气体。EP0152981A1描述了薄膜室的抽空，其中对薄膜室和具有参考体积的参考压强之间的压强差进行观察。如果该压强差偏离零，则认为检测到泄漏。在EP0741288B1中，为了泄漏检测目的，薄膜室被加压并且压强在某一个时刻被测量，当超过阈值时，认为检测到泄漏。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种对检测试样进行泄漏检测的装置，该装置允许快速泄漏检测。

本发明的装置由权利要求1中的特征定义。

根据该装置，泄漏检测通过测量测试室中压强的总压强增加来实现。该可能的泄漏的测试不需要测量气体的帮助就能实现。在这里，测试室和总压强传感器之间的直接的气体交换不是必要的，从而没有气体需要从泄漏处流向压强传感器。

在本上下文中，总压强理解为薄膜测试室中的绝对压强。术语总压强作为一种对使用压强差进行估计的传统已知的泄漏检测技术的区别手段。根据本发明，总压强增加的级数在整个测量时间间隔，也就是说在整个测量过程，进行估计。压强增加的级数的形状作为存在的泄漏的快速估计。压强增加的级数比仅仅监视阈值或者不同压强的测量值更精确。总压强增加的级数的快速估计能够实现全自动的尤其是快速的测试周期以实现全自动的泄漏检测操作。

优选地，该测试室由一个或多个柔性薄膜制成，该检测试样设置在该薄膜中或薄膜之间。该薄膜或多个薄膜可以通过夹紧元件装置如夹子连接或封闭。

即使在柔性测试室壁贴着在检测试样后，在检测试样区域的测试室的内壁部的透气型材料或透气型结构允许检测试样周围的气体流，因此可能进一步排除整个室体积来实现低总压。

优选地，该压强级数，也就是总压强的级数，以及可能各气体组分的分压级数已经在测量顺序的抽真空阶段进行估计，从而允许粗糙的泄漏检测。

如果测试室是由外部超压室封闭的，这是有利的。对于对测试室的初步气体去除，可以增加外室相对于测试室压强的压强，这样外力作用于测试室并且令测试室的柔性区域贴着产品。因此，不管采用的泵的吸取能力大部分气体被排出测试室。因此测量周期大大加快。

优选地，在室中或与测试室的体积连接的体积引入可选的气体结合材料作为吸收剂。该吸收材料结合通过解吸影响在室中的压强增加的活性气体，其可能折中泄漏率测量。气体在测试室内侧表面的解吸引起压强的额外增加并在泄漏率测量中产生测量误差。具体来说，不到10mbar的压强范围的水通过解吸在总压强增加方面做出了主要的贡献。在总压强测量中，由水引起的测试室中的压强增加不能与检测试样引起的压强增加区分开。该吸收材料可以减少该测量误差。

优选地，该吸收材料设置在测试室和压强传感器如总压强传感器之间的连接通道中。在这种情况下，吸收材料所处的连接通道中的体积可通过关断阀与测试室的体积隔离。在通气以及在抽真空期间，例如为了实行粗糙的泄漏检测，当阀门被关闭，该吸收材料不暴露于大气中并且用于选择性气体结合的吸收材料的能力被维持。

附图说明

以下是结合附图的本发明实施例的详细描述。其中：

图1展示了第一实施例；

图2是第一实施例的测试室在开放状态时的示意图；

图3是类似于图2的第二实施例；

图4是类似于图2的第三实施例；

图5是类似于图2的第四实施例；

图6展示了示例性的测量压强级数；以及

图7展示在固定时间估计压强增加的例子。

具体实施方式

检测试样12放置在室14之后，室14被关闭并通过阀门26排空，由于室14中的压强下降以及伴随的由大气压施加的外力，该柔性室壁16贴着整个检测试样12并适应该试样的外部形状。

不织布20的气体渗透材料设置在室衬托片16和检测试样12之间。可选地，薄膜16的表面可以结构化。当薄膜室14贴着检测试样12后，检测试样12周围的气体能够流动，并且因此能够进一步对总的室体积进行抽空到低的总压强。

在薄膜16和检测试样12之间产生了真空，该真空通常在1-50毫巴绝对压强范围，对应于严格测试室的室压强。尽管包装12周围是真空，但是没有有效施加到包装12的力，因为检测试样12的内部压强和柔性室材料的外部压强是相同的。因此，薄膜16在所有面均匀支撑包装并防止包装膨胀或被破坏。

用不织布20填充的中间空间形成自由体积，该自由体积通常只有几厘米3的大小。由于薄膜室14适应检测试样12的形状，即使使用不同的检测试样，也能达到最小的室体积。

薄膜室14用阀门26与泵24隔开之后，检测试样12的泄漏导致薄膜室14中的连续的总压强增加。这个总压强通过使用敏感的总压强测量装置(真空计)进行总压强测量确定。

在积累阶段的压强级数被估计并与设置的值进行比较。如果从设置的值产生相应的偏差，则检测到检测试样12的泄漏。

$\frac{\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{chamber}}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{q_p}{V_{\mathrm{chamber}}}---\left(1\right)$

$q_p\∝\left(\frac{P_{\mathrm{test\; specimen}}}{P_{\mathrm{chamber}}}\right)2---\left(2\right)$

每个时间周期Δt在测试室中的压强变化Δp_chamber

V_Chamber:室体积[l]

q_p:泄漏率[mbar l/s]

p_chamber，p_{test specimen}:分别为室中或检测试样的压强[mbar]

测试室中的总压强增加和分压强增加均取决于两个值：当前室压强和测量体积。

对于引入到包装中的测量气体的测量气体检测，总压强测量具有两个优点，以下将进行解释：

第一，不依赖气体的种类，也就是说不需要将特别的测量气体提供给产品来进行泄漏检测。

第二，可以立即检测到测试室任意位置的总压强变化。由于涉及的原理，特定于某个测试气体的传感器系统具有取决于扩散的响应时间，因为该要检测的测量气体需要从泄漏处获取到达传感器以被检测到。根据距离和总压强，扩散时间可能达不到预期的循环次数。

由于这些关系，在具有低的室压强和没有测量气体的很小的自由室体积中测量压强增加是可行的。

由温度变化引起的测量误差：

在测试室中的总压强越低，检测试样的泄漏率越高，因此预期的压强增加越大。进一步，在测试室的总压强取决于气体的平均温度T_chamber。第一次近似，以下是有效的：

$P_{\mathrm{chamber}}=\frac{R\·T_{\mathrm{chamber}}}{V_{\mathrm{chamber}}}---\left(3\right)$

通过误差估计，因此得到以下结果：

$\left|\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{chamber}}\right|=|p_{\mathrm{chamber}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{chamber}}}{T_{\mathrm{chamber}}}|+|p_{\mathrm{chamber}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{chamber}}}{V_{\mathrm{chamber}}}|---\left(4\right)$

|Δp_chamber|是由于温度和室体积的变化引起的压强的变化。该压强变化不能从由检测试样泄漏引起的压强变化中区分出来。由温度变化因此的压强变化|Δp_chamber|与室压强p_chamber成比例。压强越低，干扰影响越小。

例子：室压强为700mbar，在室温度为25℃(298.15K)时，0.1K的温度变化引起的压强变化为：

$\left|\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{chamber}}\right|=700\mathrm{mbar}\·\frac{0.1}{298.15}\frac{K}{K}=0.234\mathrm{mbar}---\left(5\right)$

比较：假设测量时间为10秒和自由室体积为0.1l，q＝1x10^-3mbar l/s的泄漏引起的压强增加为：

$\left|{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{chamber}}\right|=\frac{q_p\·\mathrm{\Δt}}{V_{\mathrm{chamber}}}=\frac{1x{10}^{-3}\frac{\mathrm{mbar}\·l}{s}\·10\left[s\right]}{0.1l}=0.1\mathrm{mbar}---\left(6\right)$

在这种情况下，由温度变化引起的压强增加是由泄漏引起的增加的两倍。如果改为在7mbar下工作，由温度引起的压强变化仅为0.01mbar，0.01mbar对应于同样的测量温度信号的仅～5％的比例。也就是说，被700mbar总压强下的温度变化掩盖的同样的泄漏可在7mbar下测量。相对于温度变化对室压强的直接影响，温度漂移引起的热膨胀和伴随的室体积的变化可以忽略不计。

在泄漏测量过程中可以预计到温度变化，因为在一方面，压强变化和伴随的气体的压缩/膨胀引起温度变化，以及在另一方面，检测试样通常具有温度漂移，该温度漂移来自于测试室的温度漂移。

体积对测量的影响：

检测试样的泄漏引起的压强变化越大，自由室体积越小和因此测量体积越小。在上下文，自由室体积为室在排空状态时没有被检测试样占据的体积。

例子：在具有1升自由体的具体的室中，q＝1x10^-3mbar l/s的泄漏在10秒内引起约0.01mbar的压强增加。自由室体积为10cm³时，压强增加约为1mbar。

解吸：

例如，水的解吸也影响测试室中的总压强。考虑到解吸，确定以下用于测试室的总压强增加的关系：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dp}}_L}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{dp}}_T}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{dp}}_D}{\mathrm{dt}}$

$\frac{{\mathrm{dp}}_L}{\mathrm{dt}}=\frac{q_L}{V_R}$

$\frac{{\mathrm{dp}}_D}{\mathrm{dt}}=\frac{A_R}{V_R}\·q_A$

:总压强增加[mbar/s]

:由泄漏引起的总压强增加[mbar/s]

:由温度漂移引起的总压强增加[mbar/s]

:由解吸引起的总压强增加

V_R:受体的体积[l]

A_R:受体加上检测试样的表面积[cm²]

q_L:检测试样的泄漏率[mbar l/s]

q_A:室/检测试样的解吸率[(mbar l)/(s cm²)]

对于累积室的总压强的当前级数的敏感的泄漏率测量，应针对最低的可能室体积。对于给定的固定的泄漏率，室体积越小，总压强上升越快。

为了实现最小的可能的由室中的解吸引起的总压强增加，应当瞄准较大的体积对于表面积的比例。对于给定的表面积，室体积越大，单位时间的总压强增加越小。

这形成了一个矛盾。可以通过提供优选设置在测试室和总压强测量装置之间的连接通道的吸收材料来消除水的分压的影响来解决这个矛盾。

本发明的特定特征为采用具有可成型和柔性材料如弹性材料的室，在该密封的室中的总压强增加用于测量泄漏。总压强的测量通过如采用电容式总压强传感器测量每个表面的作用力来实现。这里，可能的泄漏的测试不需要测量气体的帮助就能实现。进一步，不需要薄膜室和总压强传感器之间的直接气体交换。因此，气体不需要从泄漏处流动到总压强传感器。

测试室本身可以通过单个薄膜或多个薄膜构建。该测量方法的特定特征是解决了最小体积和最低工作压强之间的矛盾同时保护了检测试样。进一步，由于通过总压强测量装置的检测，不需要提供从泄漏处到传感器的气体。

总之，因此解决了以下的问题：

·解决了低的工作压强和同时保护检测试样之间的矛盾。

·可以达到的低的工作压强显著降低了温度漂移和增加了可测量的泄漏率。

·由于小体积，由泄漏引起的室中的压强增加变得极大以及测量信号也变得极大。

·由于自身的最小化的体积，该室的排空更快。

·泄漏处和总压强传感器之间不需要存在气流。

如图1所示，软食物包装形式的检测试样12被放置在由薄膜16形成的测试室14中。如图2所示，薄膜16由两个分隔的薄膜部分形成，检测试样12设置在两个薄膜部分之间从而检测试样12完全被两个薄膜部分封闭。

图1示出了两个薄膜部分的叠加边沿部分通过夹紧装置18相互压紧，从而没有气体能够从测试室14的薄膜部分之间漏出。

为了能够实现检测试验14的完全的排空，甚至当薄膜16紧紧地贴在检测试验12时，在薄膜16的内侧，设置有一层不织布，该不织布包围检测试样12并使检测试样12和薄膜16之间的气体能够流动。

测试室14通过连接通道22与真空泵24连接。关断阀26位于在真空泵24和测试室14之间的连接通道22中，阀用于将测试室的体积从真空泵24隔离。在关断阀26和真空泵24之间设置有通风阀28以对测试室14进行通风。

从连接通道22，另一连接通道30在测试室30和关断阀26之间分叉，该连接通道30将测试室体积与总压强测量装置32的压强传感器连接。吸收体34设置在连接通道30中以及关断阀36设置在吸收体和测试室14之间。当关断阀36打开，吸收体的吸收材料与测试室体积连接。吸收材料优选为吸水沸石，以减少在测试室14的内壁区域的水解吸影响。在测试室14的排空期间和/或在测试室14的通风期间，关断阀36关闭以保护吸收体34的吸收能力。

图3展示了由折叠的薄膜形成的测试室14的实施例。测试室14通过将检测试样12周围的薄膜16折叠来封闭。

在图4的实施例中，薄膜16是两端封闭以形成测试室14的软管。

在图5的实施例中，测试室14由以囊状气球的形式成型的薄膜16形成，该囊状气球支撑检测试样12。气球的开口端可以封闭，例如，通过图1所示的夹紧装置18来封闭测试室14。

图6示出了在10秒测量时间间隔期间的薄膜室中的压强级数的两条曲线。在这里，虚线曲线是密封检测试样的压强级数，而连续曲线表示了泄漏检测试样的压强级数。如图6所示，在整个测量时间间隔，密封检测试样的压强增加大于泄漏检测试样的压强增加。进一步，密封检测试样在某一时刻的压强增加，也就是说关于时间的压强级数的第一导数，可大于泄漏检测试样在某一时刻的压强增加。原因是薄膜材料的气体解吸度和不织布的气体解吸度的差别。在这些前提条件下，单一的值，如在测量时间间隔的开始和末端之间的压强增加或总压强差，不给密封和泄漏检测试样提供一个明确的参考是可能的。这个问题可以通过图像识别解决，图像识别是指各种曲线特性如在定义的时间的斜率或曲率。

在图7，描绘了10秒后的压强增加(测量时间间隔的末端)和5秒后的压强增加(测量时间间隔的一半)的值。在X轴，展示了一半测量时间间隔(5秒)之后的压强增加值，以及测量时间间隔末端(10秒)的压强增加值描绘在Y轴。图像识别用于检测测量值组。这里，第一组是对泄漏检测试样的测量值的检测，描绘成十字，以及第二组是对密封检测试样的测量值的检测，描绘成圆圈。图7的虚线表示归类为泄漏的检测试样的值。对于密封和泄漏检测试样的分配和分类，图像识别的数学方法可以还原成如LDA(线性判别分析)。

Claims (11)

1.一种对检测试样(12)进行泄漏检测的装置，具有用于放置检测试样(12)的可抽真空的测试室(14)，测试室设置有由柔性材料，特别是弹性材料制成的至少一个壁区，其特征在于，

该装置包括用于确定测试室内的总压强增加级数的测量器件(32)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于该用于确定总压强增加的器件(32)包括电容式总压强传感器。

3.如前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于该器件用于确定测试室(14)在泵出阶段的压强级数。

4.如前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于该测试室(14)设置在用于用超压加压的外室中。

5.如前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于测试室(14)中或与测试室(14)连接的体积中设置有气体结合吸收材料(34)，特别是沸石。

6.如前述权利要求所述的装置，其特征在于该吸收材料(34)设置于测试室(14)和压强传感器之间的连接通道(30)中。

7.如前述权利要求所述的装置，其特征在于吸收物(34)和测试室体积之间的连接通道(30)设置有关断阀(34)，该阀用于将吸收材料(34)从测试室体积选择性隔离出来。

8.一种对检测试样进行泄漏检测的方法，使用可抽真空的薄膜室作为测试室，该测试室具有由柔性材料，特别是弹性材料制成的至少一个壁区，其特征在于对测试室内的总压强增加级数进行测量。

9.如前述权利要求所述的方法，其特征在于泄漏的存在是通过整个测量时间间隔的总压强增加的级数来检测。

10.如前述权利要求任一项所述的方法，器特征在于，为了检测泄漏，对测量时间间隔内的压强级数增加进行图像识别。

11.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于压强增加级数在定义的预定的时间点确定。