CN108369151A - 测试气体入口处的压力测量 - Google Patents

Abstract

一种用于测量质谱检漏仪的测试气体入口(18)处的压力的装置，其中，质谱仪(12)连接到高真空泵(14)的入口(22)，所述高真空泵(14)的出口(24)连接到预真空泵(16)的入口(26)，并且其中，所述预真空泵(16)的所述入口(26)连接到所述测试气体入口(18)，其特征在于：所述预真空泵(16)的所述入口(26)和所述高真空泵(14)的至少一个中间入口(34)通过包括流体节流器(42)的连接管线(38)相互连接。

Description

测试气体入口处的压力测量

本发明涉及用于测量质谱检漏仪的测试气体入口处的压力的方法和设备。

在质谱泄漏搜索中，使用测试气体在真空条件下对待检查对象的密封性进行测试。为了操作质谱仪，必须达到小于10^-4mbar的压力。

通常，关于借助真空检漏仪进行的密封性测试方法，真空方法区别于过压方法。在真空方法中，测试对象被抽空并暴露在测试气体环境中。检查从测试对象抽出的气体是否存在测试气体。在过压方法中，测试对象暴露于测试气体中，该测试气体的压力高于测试对象周围的大气压力。然后检查测试对象周围的大气是否存在测试气体。

在真空方法和过压方法中，测试可以是整体类型或定位类型中的任一种。在整体密封性测试中，将测试对象放置在真空和各自的压力室中，并且检查从测试对象和各自的测试室分别抽出的气体将是否存在测试气体。在整体测试中，检查测试对象是否包含至少一处泄漏以及这些泄漏的总泄漏率。

在定位类型的测试过程中，应检测泄漏的位点。在定位真空方法中，将使用喷枪在已经被抽空并连接到质谱检漏仪的测试对象的外部喷射测试气体。在定位过压方法中，在被测试气体加压的同时，测试对象将借助于手动引导的嗅探探头从外部进行嗅探检查。

在所有上述方法中，使用质谱检漏仪，其包括测试气体入口，通过该测试气体入口，被检测的测试气体流将被抽吸并被供应到质谱仪用于检测测试气体分压。由于只有在质谱仪中存在真空压力的情况下才能借助质谱仪进行检查，所以要求在打开测试气体入口之前，入口处的总压力要被足够降低。质谱仪通过高真空泵(大多数情况下为涡轮分子泵)以及通过连接至高真空泵出口的预真空泵被抽空。高真空泵的中间气体入口连接到泄漏检测系统的测试气体入口。

如果测试气体入口处的压力低于高真空泵的允许的一次压力(通常为15mbar)，则可以检测到严重泄漏。特别是在需要通过检漏仪的真空系统，例如预真空泵，进行抽空的大容积(测试室容积)的情况下，需要很长时间，才能降低到高真空泵的允许的预压力以下以及可以开始测试。

因此，通常希望能够在已经达到大于15mbar的入口压力下执行泄漏搜索。已知的是，为此目的，可以从检漏仪的入口区域向验证系统供应一小部分气流。例如，在类型UL400的INFICON泄漏测试设备中，通过测试气体入口吸入的气流的部分流量直接供应到质谱仪。在直接将气体引入质谱仪(主流量法)的情况下，通常需要借助于液氮冷阱来减少或避免来自大气中的水蒸气对测量信号的影响。用于被允许直接进入质谱仪的部分流量的限流器以这样的方式设计，使得通过打开相应的阀，部分流量能够从小于100mbar的压力开始被供应给质谱仪。

在INFICON泄漏检测设备UL500中，为了及早发现泄漏信号(总泄漏计量)，可以通过节流器将测试气体入口连接到质谱仪涡轮分子泵的预真空。节流器是一个筛网，通过该筛网，在已经打开测试气体入口之后，在小于1000mbar的压力下用于预排空，小的氦气部分将经由涡轮分子泵以逆流方式进入验证系统(质谱仪)。这种设置在，例如EP 283543 A1和EP 0615615 B1中，进行了描述。

为了检测大量泄漏，适于，在第一步中，评估1000到100mbar之间的总压降。在已知的方法中，根据Pirani测量原理，通过使用压力传感器来测量检漏仪的入口区域处的总压力。这种传感器价格低廉并适合10^-3至100mbar之间的工作压力的精确测量。但是，只有在100mbar至1000mbar之间的范围内的总压力才能被非充分地检测到。

在第二步中，在由于存在大量泄漏，或者由于前级泵的吸入能力和通过大量泄漏的气体流入而导致压力下降太慢的情况下，平衡压力达到15mbar以上，通过喷洒测试气体可以定位大量泄漏。

在抽吸阶段，检漏仪的验证系统切换到盲检状态，或者检漏仪的灵敏度降低到只有在泄漏较大的情况下才能检测到信号的效果。如果测试对象泄漏特别大，抽吸期间可能会进一步延长，或根本达不到通过使用真空系统以达到准备测量所需的工作压力。在这种情况下，通过使用实际为这项任务提供的检漏仪对总泄漏的定位将是不可能的。

当使用典型的Pirani压力传感器时，在100mbar至1000mbar之间的压力范围内，无法对测量气体入口的入口法兰处的总压力进行测量。在这个压力范围内应避免使用专用的总压力传感器。

因此，本发明的一个目的是使得已经处于明显高于15mbar的压力下可以通过质谱检漏仪的测试气体入口处的总压力的改进的测量来检测泄漏的测试对象并定位该泄漏。

根据本发明的装置由权利要求1的特征限定。根据本发明的方法由权利要求6的特征限定。

根据本发明的总压力测量涉及质谱检漏仪，其中，质谱仪的测量容积连接到高真空泵，例如涡轮分子泵，的入口，并且所述高真空泵的出口连接到预真空泵的入口。两级真空泵用于排空所述质谱仪的测量容积。所述预真空泵的入口进一步连接到测试气体入口以抽吸测试气体并分别抽空测试室或测试对象。

根据本发明，借助于气体传导连接管线，所述预真空泵的所述入口与所述高真空泵的至少一个中间气体入口连接。在连接管线中，气流受到节流器的限制。连接线可以分叉，例如在预真空入口管线将测试气体入口连接到预真空泵的入口之前。连接管线可以进入到将中间气体入口连接到测试气体入口的高真空入口管线。有利的是，在该设置中，在预真空入口管线、高真空入口管线以及连接两个真空泵的真空管线中的每一个中设置相应的阀，所述阀用于分别打开和关闭相应的管线。

当借助预真空泵对连接到测试气体入口的测试室或连接到测试气体入口的测试对象进行抽空时，气体将通过预真空入口管线从测试气体入口吸出。经由连接管线，部分气流将从预真空连接管线分支出来并供应至高真空泵的中间入口。经由中间气体入口，所述部分气流将进入质谱仪的测量容积。或者，所述部分气流也可以直接送入质谱分析仪。在质谱分析仪中，可以确定分别使用的测试气体，例如氦气，的分压。在测试气体分压的基础上，可以检测测试气体入口处的总压力。此处，假设待抽真空的测试对象或待抽真空的测试室包含空气或具有测试气体浓度(氦浓度)的另一种气体。因此，质谱仪，例如基于空气/氦气部分，将提供适当比例的信号，以便通过使用质谱仪经由氦气分压来测量在测试气体入口的入口法兰处的总压力。

连接管线布置成进入在高真空泵的中间气体入口和测试气体入口之间的高真空入口管线。如果提供用于单独打开和关闭高真空入口管线的阀，则连接管线进入阀和中间气体入口之间的高真空入口管线。

通过连接管线供应到质谱仪的部分气流将被节流，优选为节流至大于10^-4mbar·l/s(跨过节流器的压力差从1000mbar到0mbar)的气体通过量。该节流尽可能靠近连接管线从预真空入口管线的分支位点。原则上，所述分支位点可以位于测试气体入口和预真空泵出口之间的预真空连接中的任意位置，并且因此，如果使用多级预真空泵，所述分支位点也设置在泵级之间。相应地，节流器到连接管线从预真空入口管线的分支位点的距离小于节流器到连接管线与高真空入口管线的连接位点的距离。优选地，节流器到预真空入口管线的分支位点的距离为连接管线总长度的大约三分之一并且优选大约四分之一。在理想的情况下，分支位点直接位于预真空入口管线的气流中。因此，节流器的设置尽可能靠近或甚至在分支位点中，以实现朝向节流器的最佳流动，以用于气体的最佳可能的交换，从而实现快速反应。由于湍流，从预真空入口管线的分支位点到节流器之间的连接管线内的容积区域将与一深度充分齐平，所述深度大致相当于管道直径。

节流器可以设计成筛网或毛细管。长度和直径的理想选择应根据气体流过筛网和毛细管的已知公式根据直径进行，特别是对于25μm的毛细管直径，可以是5cm的长度以达到气体流量为5·10^-4mbarl/s，气压在1000mbar至0mbar之间。在选择直径和长度时，必须注意的是，即使在15mbar的气压下并且相应减少的通过节流器的流量下以及分别在延长的气体交换时间内，在节流器内获得通常为1秒的足够短的响应时间。

借助预真空泵，在开始抽吸过程之后，节流器可以直接精确测量总压力的变化。涡轮分子泵的预真空区域中的容积，即在涡轮分子泵出口处的容积的尺寸设计为，通过在高真空泵和预真空泵之间的真空管线中、在高真空入口管线中、以及在预真空入口管线中的闭合阀来检测大量泄漏的操作可保持足够的持续时间。用于检测大量泄漏的操作的持续时间将取决于通过连接管线中的节流器的流量与涡轮分子泵的预真空区域中的容积之间的比率。由于这个原因，以及高真空/涡轮分子泵的预真空侧的允许的最大总压力，大量泄漏操作中的最大操作时间将是最不利的情况。

操作时间＝V·p_v,max/Q

Q:经过节流器的流量D1

V:预真空区域的容积

p_v,max:可允许的最大预真空压力

在规定容积时，必须考虑到应用的典型的抽吸时间，因为随着测试气体入口处压力的降低，通过节流器的气体流量Q也将变小，因此，在大量泄漏的检测期间的最大操作时间将会变得更长。为了在不中断的情况下允许对大量泄漏的检测进行1小时，预真空区域的容积优选大于10cm³，理想情况下为20cm³。在最坏的情况下，即如果测试对象上的泄漏很大以至于预真空泵不能降低压力，将会导致以V＝20cm³，p_v,max＝15mbar，以及Q＝5·10^{- 4}mbarl/s的最坏的预期操作时间为600秒，此后大量泄漏检测的操作必须中断小于10秒，以便将涡轮分子泵的预真空容积再次抽吸到最终压力，于是用于检测大量泄漏的操作可以再次恢复。

本发明通过预真空泵入口和高真空泵的中间气体入口之间的永久节流连接允许测量信号的特别快速的响应，在大于15mbar的工作压力下泄漏率的测量，用可重现特性管线对测试气体入口(入口法兰)处的总压力的测量，以及无需额外的压力传感器即可对入口法兰处的总压力从1000mbar进行可精确的测量。

下面将参考附图对本发明的示例性实施例进行更详细地描述。显示如下：

图1示出了第一示例性实施例，

图2示出了第二示例性实施例，

图3示出了第三示例性实施例。

以下，首先对各种示例性实施例共有的那些特征进行描述。基本上，这些特征包括具有质谱仪12、高真空泵14、预真空泵16和测试气体入口18的泄漏检测系统。

质谱仪12经由气体传导测量管线20连接到高真空泵14的入口22。高真空泵14是涡轮分子泵。高真空泵14的出口24通过真空管线28以气体传导方式连接到预真空泵16的入口26。在真空管线28中设置有适于单独关闭的阀V2。通过所述两个真空泵14、16，质谱仪12的测量容积被抽真空。

测试气体入口18经由预真空入口管线30以气体传导方式连接到预真空泵16的入口26，从而借助预真空泵16对连接到测试气体入口18的容积(测试室或测试对象)进行抽真空。测试气体入口18还经由高真空入口管线32连接到高真空泵14的中间气体入口34。

在分支位点36处，气体传导连接管线38从预真空入口管线30分支并且在进入位点40进入高真空入口管线32。以这种方式，连接管线38直接且永久地将预真空泵16的入口26连接至高真空泵14的中间气体入口34，而不在连接管线38中设置阀。

在尽可能接近于所述分支位点36处，连接管线38包括节流器42，该节流器，以范围在1000mbar到0mbar之间的跨越节流器的压力差，允许气体通过量超过10^-4mbar·l/s，即大约2·10^-4mbar·l/s，并且将防止气体通过量高于上述值。

节流器42被设计成筛网或毛细管。

节流器42与分支位点36的距离大约为分支位点36与进入位点40之间的距离，即连接线38的长度，的十分之一。

预真空入口管线30在测试气体入口18和分支位点36之间包括可单独关闭的阀V1。高真空入口管线32在测试气体入口18和进入位点40之间包括可单独关闭的阀V4。

操作中，在对与测试气体入口18相连接的容积(测试室容积或测试对象容积)最初进行的粗略抽真空期间，阀V2和V4最初处于关闭状态并且阀V1处于打开状态。预真空泵16然后将通过测试气体入口18执行抽真空。

为了能够在通过测试气体入口18的粗略抽真空期间测量测试气体入口18上的压力而不需要额外的压力传感器，部分气流将通过连接管线38从预真空入口管线30分支出来并且通过高真空泵14的中间气体入口34被供应到质谱仪12。借助于节流器42，部分气流将被充分节流以供质谱仪12评估。借助质谱仪12中，将对包含在分支气流中的测试气体的分压进行检测。典型地，使用氦气作为测试气体，其中对氦气分压进行测量。从氦气分压计算出质谱仪入口法兰处的总压力。

当阀V2处于打开状态并且阀V1和V4处于关闭状态时，质谱仪12将被抽空。一旦质谱仪12以及预真空区域28中的压力对于质谱仪12的操作(12中1·10^-4mbar和28中的<1mbar)足够低，阀V2将被关闭。然后，阀V1将在测试气体入口处打开以排空测试对象。一旦测试气体入口18处的总压力下降到大约15mbar的足够值以下，阀V2将被打开，从而将开启用于泄漏检测的质谱分析。当总压力进一步降低到低于2mbar时，阀V1将关闭，阀V4将打开，目的是达到经典的逆流泄漏检测操作。

第二示例性实施例与第一示例性实施例的不同之处在于高真空泵14的第二中间气体入口44。所述第二中间气体入口44通过设有可单独关闭的阀V3的气体传导管线46连接至测试气体入口18。

根据图3的第三示例性实施例与根据图1的示例性实施例的不同之处在于分支位点36布置在多级预真空泵16的泵级16a、16b之间。通常，分支位点36可位于测试气体入口18和高真空泵14的出口24之间的预真空连接中的任意期望的位置。

通过根据本发明提供的压力测量，使用质谱分析检漏仪可以通过质谱分压分析在抽真空过程中已经处于预真空范围中的仍然高压期间对测试气体入口处的压力进行测量，而不需要额外的压力传感器。

Claims (9)

1.一种用于测量质谱检漏仪的测试气体入口(18)处的压力的装置，其中，质谱仪(12)连接到高真空泵(14)的入口(22)，所述高真空泵(14)的出口(24)连接到预真空泵(16)的入口(26)，并且其中，所述预真空泵(16)的所述入口(26)连接到所述测试气体入口(18)，

其特征在于：

所述预真空泵(16)的所述入口(26)和所述高真空泵(14)的至少一个中间入口(34)通过包括节流器(42)的连接管线(38)而彼此连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在节流器(42)处存在大约1000mbar的压力差的情况下，所述节流器(42)具有在10^-5mbar·l/s到10^-3mbar·l/s范围内的气体通过量。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，从所述节流器(42)到所述连接管线(38)的真空泵侧起点的距离小于从所述节流器(42)到所述连接管线(38)的高真空泵侧端的距离。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述节流器(42)设计为节流孔或毛细管。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述预真空泵侧入口在所述连接管线(38)内被阻塞。

6.一种用于测量质谱检漏仪的测试气体入口(18)处的压力的方法，其中，质谱仪(12)连接到高真空泵(14)的入口(22)，所述高真空泵(14)的出口(24)连接到预真空泵(16)的入口(26)，并且其中，预真空泵(16)的入口(26)连接到所述测试气体入口(18)，

其特征在于：

部分气流从测试气体入口(18)到预真空泵(16)的气流中被分支、节流并供应到高真空泵(14)的至少一个中间气体入口(34)，并且所述测试气体入口(18)处的压力通过用质谱仪(12)对所述分支的部分气流中的测试气体分压进行测量而确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在压力差约为1000mbar的情况下，所述部分气流被节流到最大值为10^-5至10^-3mbar·l/s的范围内。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述部分气流的节流位置设置为与高真空泵(14)的中间气体入口(34)相比更靠近预真空泵(16)的入口(26)。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述分支的部分气流被阻塞。