DE102005021909A1

DE102005021909A1 - Schnüffellecksucher mit Quarzfenstersensor

Info

Publication number: DE102005021909A1
Application number: DE102005021909A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Wetzig; Werner Grosse Bley; Peter Dipl.-Ing. Lang; Stefan Mebus
Original assignee: Inficon GmbH Deutschland
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2006-11-16
Also published as: JP4806011B2; EP1880184A1; US7980117B2; WO2006120122A1; CN101171501B; CN101171501A; JP2008541076A; EP1880184B1; US20090193876A1

Abstract

Der Schnüffellecksucher weist einen Quarzfenstersensor (16) auf, der mit einem selektiv für ein Testgas durchlässiges Quarzfenster (17) versehen ist. Das Quarzfenster (17) befindet sich in einem Saugraum (15), der an eine Vakuumpumpe (13) angeschlossen ist. Zur Verkürzung der Ansprechdauer ist in dem Saugraum (15) eine Gasführungsplatte (18) angeordnet, die zusammen mit dem Quarzfenster (17) einen engen Gasführungsraum (19) begrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schnüffellecksucher mit Quarzfenstersensor und insbesondere einen Schnüffellecksucher, der mit einer relativ einfachen Nachweisvorrichtung für das Spurengas auskommt.

Bei der Dichtheitsprüfung von Behältern und Rohrsystemen wird üblicherweise Helium als Spurengas benutzt und das Austreten von Helium wird mittels massenspektroskopischer Methoden nachgewiesen. Dazu wird das Gas ionisiert und anschließend werden durch Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern die einzelnen Gaskomponenten bzw. deren Fragmente separiert. Nach der Trennung werden die Heliumionen mit einem Detektor nachgewiesen und das Signal wird anschließend verstärkt und ausgewertet. Der Nachweis von Helium kann auch mit gaschromatographischen Methoden erfolgen, wobei sich allerdings eine verringerte Nachweisempfindlichkeit ergibt.

Bei der Schnüffellecksuche wird eine konstante definierte Gasmenge durch eine Schnüffelleitung gesogen. Abhängig vom Gasdurchsatz durch die Schnüffelleitung und der Leckrate an einem Heliumleck (zur Dichtheitsprüfung werden die Prüflinge mit Helium befüllt und verschlossen) stellt sich im geschnüffelten Gasstrom eine bestimmte Testgaskonzentration ein. Ein geringer Anteil dieses geschnüffelten Gasgemisches wird über einen Flussteiler in das Nachweissystem (Massenspektrometer) eingelassen. Zur erfolgreichen Massentrennung in der Analyseeinheit darf der Druck im Standardnachweissystem einige 1 × 10^–4 mbar nicht übersteigen. Damit beträgt der nachzuweisende Heliumpartialdruck bei einer Heliumkonzentration von 1 ppm nur 10^–10 mbar.

Die Erzeugung des Totaldrucks im Bereich von 1 × 10^–4 mbar erfordert den Einsatz einer Turbomolekularpumpe. Der Einsatz einer solchen Pumpe ist teuer und erhöht die Störanfälligkeit und den Wartungsaufwand des Systems. Es ist erstrebenswert, den Nachweis des Testgases bei atmosphärischen Bedingungen zu ermöglichen, so dass auf die Turbomolekularpumpe und den Flussteiler verzichtet werden kann.

In US 6,277,177 B1 (Leybold Vakuum GmbH) und DE 100 31 882 A1 (Leybold Vakuum GmbH) sind Sensoren für Helium oder Wasserstoff beschrieben, die eine Quarzfenstermembran aufweisen, welche ein vakuumdichtes Gehäuse abschließt. Die Quarzfenstermembran bildet einen selektiv wirkenden Durchlass für das festzustellende Gas. Der in dem Gehäuse angeordnete Testgassensor ist ein Gasdrucksensor, der auf den Totaldruck des in das Gehäuse eingedrungenen Gases reagiert. Da die Quarzmembran gasselektiv wirkt, stellt der Gasdrucksensor den Druck des Testgases in dem Gehäuse fest. Der in dem Gehäuse angeordnete Drucksensor ist vorzugsweise ein Penning-Drucksensor, der zwei parallele Katodenplatten, die mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind, und zwischen den Katodenplatten einen Anodenring aufweist. Der Stromkreis, der zwischen den Katodenplatten und dem Anodenring verläuft, enthält ein Strommessgerät zur Messung des Katoden- oder Anodenstroms. Ein Magnetfeld wird von einem außerhalb des geschlossenen Gehäuses angebrachten Permanentmagneten erzeugt. Ein solcher Penning-Detektor hat den Vorteil, dass er wesentlich einfacher und kostengünstiger ist als ein Schnüffellecksucher mit Massenspektrometer. Bei der Quarzfenstertechnologie wird der gesamte Gasstrom am Sensor vorbeigeführt. Der Druck vor dem Sensor kann auch während des Betriebs dem atmosphärischen Druck entsprechen. Damit beträgt der Heliumpartialdruck bei einer He-Konzentration von 1 ppm 10^–3 mbar, also sieben Größenordnungen über dem Druck der Standardmethode. Die Trennung von Helium und der sonstigen Gase erfolgt mittels einer dünnen Quarzmembran, die ausschließlich Helium in das Nachweisvolumen einlässt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schnüffellecksucher zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist und eine hohe Empfindlichkeit liefert.

Der Schnüffellecksucher nach der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert. Es handelt sich um einen Schnüffellecksucher mit einem für ein Testgas selektiv durchlässigen Quarzfenster. Dem Quarzfenster wird das zu untersuchende Gas über eine Schnüffelsonde zugeführt. Das Gas wird durch einen von dem Quarzfenster begrenzten Saugraum hindurchgeführt, so dass es an dem Quarzfenster entlangströmt.

Ein Quarzfenstersensor bietet den Vorteil, dass er bei einem Druck von einigen 100 mbar betrieben werden kann. Im Gegensatz zum „punktförmigen" Gaseinlass in Form des Flussteilers beim Massenspektrometersystem ist bei einem Quarzfenstersensor der Gaseinlass über die gesamte Quarzfensterfläche verteilt, die einen Bereich von mehreren Quadratzentimetern überdeckt. Durch den Saugraum wird erreicht, dass das punktförmig von der Schnüffelleitung zugeführte Probengas sich vor dem Quarzfenster gleichmäßig verteilt, bevor es von der Vakuumpumpe abgesaugt wird. Wegen des geringen Partialdrucks des Testgases im Innern des Quarzfenstersensors permeiert ein Teil des Testgases entgegen der Wirkung der Vakuumpumpe durch die Quarzmembran in das Gehäuse. Dadurch, dass der Probengasstrom vor dem Quarzfenster gleichmäßig verteilt wird, ergibt sich eine hohe Ansprechempfindlichkeit.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Saugraum eine Gasführungsplatte enthält, die zusammen mit dem Quarzfenster einen Gasführungsraum begrenzt, und dass die Schnüffelleitung in den Gasführungsraum einmündet. Der Gasführungsraum ist deutlich schmaler als der Saugraum. Er begrenzt das vor dem Quarzfenster gebildete Volumen. Die Ansprechzeit des Schnüffellecksuchers wird wesentlich von der Gasmenge, die vor dem Sensor ausgetauscht werden muss, bestimmt. Die Zeit τ, die zum Austausch des Gases vor der Sensormembran notwendig ist, kann wie folgt berechnet werden:

p: Druck vor Membran; V: Volumen vor Membran; q_pV: Fluss.

Das Volumen V des Gasführungsraumes wird also durch die Gasführungsplatte verringert, wodurch die Ansprechzeit ebenfalls verringert wird. Andererseits kann der Gasdruck p vor der Quarzmembran zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit mit einigen 100 mbar relativ hoch gewählt werden, da das Volumen entsprechend klein gewählt wurde, damit insgesamt eine Austauschzeit von deutlich unter 100 ms erreicht wird. Das geschnüffelte Gas wird längs des Gasführungsraumes an der Quarzmembran entlang geführt. Der Querschnitt ist auf minimales Volumen und ausreichenden Leitwert des Gasführungsraumes dimensioniert. Er muss für den ungehinderten Gasstrom ausreichend groß sein. Nachdem das Gas an der Quarzmembran entlang geströmt ist, gelangt es in den Saugraum, der an dieser Vakuumpumpe angeschlossen ist, um mit definiertem Saugvermögen abgepumpt zu werden.

Die Erfindung befasst sich ferner mit einem Schutz des Schnüffellecksuchers vor Verseuchung. Ein Quarzfenster-Heliumsensor zeigt nach der Anwesenheit von Helium ein in zwei Stufen erfolgendes Signalabklingen. Dieses besteht aus einem schnellen Abklingen des Signals entsprechend der Vakuumzeitkonstante des Sensors und einem langsamen Abklingen des verschobenen Offsetstroms. Wird mit dem Schnüffellecksucher in stark mit Helium angereicherter Luft geschnüffelt, tritt eine Verseuchung des Sensors als Verschiebung des Offsets auf. Der Grad der Verschiebung des Offsets ist von der vom Sensor neu aufgenommenen Heliummenge abhängig. Die Verschiebung des Offsets muss zur genauen und schnellen Lecksuche vermieden werden. Dies wird erreicht, indem bei Überschreiten einer festgelegten Signalschwelle der Totaldruck vor der Sensormembran abgesenkt wird. Hierzu ist eine von der Vakuumpumpe zu dem Saugraum führende Saugleitung durch eine ein Ventil enthaltende ungedrosselte Bypassleitung überbrückbar. Die Bypassleitung kann kurzzeitig geöffnet werden, um das Saugvermögen, mit dem an dem Volumen vor der Quarzmembran gepumpt wird, zu erhöhen. Dadurch wird der Totaldruck, und damit auch der Heliumpartialdruck vor der Sensormembran, abgesenkt. So wird die in den Sensor gelangende Heliummenge reduziert.

Bei Überschreiten einer noch höheren Signalschwelle kann ein Belüftungsventil geöffnet werden, wodurch das Gas vor der Quarzmembran durch Luft ersetzt wird. Das stark mit Testgas angereicherte Gas in der Schnüffelleitung wird so lange direkt zur Vakuumpumpe geleitet.

Der Quarzfenstersensor kann während seiner Lebenszeit nur eine begrenzte Menge an Helium aufnehmen. Luft enthält im natürlichen Zustand einen Anteil von 5 ppm Helium, entsprechend nimmt der Sensor permanent Helium aus der Atmosphäre während des Betriebs auf. Der Anteil, den der Sensor während eines Standby-Modus aufnimmt, muss reduziert werden. Damit eine schnelle Wiederinbetriebnahme mit hoher Messgenauigkeit nach dem Standby-Modus gewährleistet werden kann, muss aber das Temperaturprofil auf der Sensormembran bestehen bleiben. Während des Standby-Modus wird der Druck vor der Quarzmembran reduziert. Die Kühlleistung an der geheizten Sensormembran ist im Wesentlichen von dem Gasstrom (nicht vom Druck) vor der Membran abhängig. Ein Absenken des Druckes beeinflusst nur geringfügig den Fluss, so dass das Temperaturprofil auf der Sensormembran während des Standby-Modus erhalten bleibt. Alternativ kann der Gasstrom während des Ruhemodus durch eine geeignete Drossel anstatt durch die Schnüffelleitung gesogen werden. Dies hat den Vorteil, dass der Partikelfilter in der Spitze der Schnüffelleitung geschont wird.

In gewissen Zeitabständen kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Betriebsmodus „Simulation Grobleck" durchgeführt werden. Hierbei wird durch den Anwender das System zum schnellen Signalabklingen trainiert. Dazu wird mit dem Schnüffellecksucher an einer großen Heliumleckrate, z. B. 10^–3 mbar l/s, geschnüffelt, so dass das System neu „lernen" kann, nach großen Heliummengen schnell auf das Ausgangsniveau abzuklingen. Generell hat das Testleck, das in der Standardausführung in einem Lecksuchgerät eingebaut ist, eine Leckrate von nur 10^–5 mbar l/s. Zur Simulation einer großen Leckrate wird das Saugvermögen der Vakuumpumpe mit einer ersten Drossel so weit reduziert, dass der Fluss durch die Schnüffelleitung etwa um den Faktor 100 sinkt. Damit erhöht sich die Heliumkonzentration während des Schnüffelns am Einbautestleck um den gleichen Faktor. Das System ordnet der erhöhten Konzentration eine entsprechend höhere Leckrate zu. So wird mit dem Testleck der Größe 10^–5 mbar l/s ein Leck der Größe 10^–3 mbar l/s simuliert.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:
1 ein Diagramm einer ersten Ausführungsform des Schnüffellecksuchers nach der Erfindung, und
2 ein Diagramm einer zweiten Ausführungsform des Schnüffellecksuchers.
Gemäß 1 ist ein Grundgerät 10 vorgesehen, das über eine flexible Schnüffelleitung 11 mit einer Schnüffelsonde 12 verbunden ist. Die Schnüffelsonde 12 kann von Hand geführt werden, um das Testobjekt auf Leckstellen zu untersuchen, aus denen Testgas austritt.
Das Grundgerät 10 enthält eine Vakuumpumpe 13, bei der es sich im vorliegenden Beispiel um eine zweistufige Pumpe mit den Pumpstufen 13a und 13b handelt, die als Membranpumpen ausgeführt sind. Die Vakuumpumpe erzeugt ein Vakuum von etwa 50 mbar.
Von der Vakuumpumpe 13 führt eine Saugleitung 14 zu dem Saugraum 15. Der Saugraum 15 ist vor dem Quarzfenstersensor 16 gebildet. Die Wände des Saugraums 15 schließen an das Gehäuse des Quarzfenstersensors 16 an. Das Quarzfenster 17 des Quarzfenstersensors 16 wird von dem Saugraum 15 umschlossen. Innerhalb des Saugraums 15 befindet sich eine Gasführungsplatte 18, die dem Quarzfenster 17 mit Abstand gegenüber liegt und parallel zu diesem angeordnet ist. Das Quarzfenster 17 und die Gasführungsplatte 18 begrenzen den Gasführungsraum 19. Die Schnüffelleitung 11 mündet in den Gasführungsraum 19. Dieser weist seitliche Austrittsöffnungen 20 auf, durch die das Gas in den Saugraum 15 eintreten kann. Der Gasführungsraum 19 bewirkt eine Verteilung des Gases vor dem Quarzfenster 17.
Der Quarzfenstersensor 16 ist in der Weise ausgebildet wie der Sensor, der in DE 100 31 882 A1 beschrieben ist. Das Quarzfenster 17 besteht aus einer selektiv für Helium durchlässigen Membran. Im Übrigen enthält der Quarzfenstersensor 16 einen Penning-Drucksensor oder einen anderen Drucksensor, der ein elektrisches Signal erzeugt, welches den Druck in dem durch die Quarzmembran abgeschlossenen Gehäuse angibt. Aus diesem Druck wird das Signal für die detektierte Menge an Testgas abgeleitet.
Die Saugleitung 14 enthält zwischen der Vakuumpumpe 13 und dem Saugraum 15 eine erste Drossel D1, die die Saugleistung für den Normal-Betriebsmodus" bestimmt. Die erste Drossel D1 ist durch eine Umgehungsleitung 25 überbrückt, welche eine zweite Drossel D2 und in Reihe damit ein Ventil V2 enthält. Ferner ist die Drossel D1 von einer Bypassleitung 26 überbrückt, die ein Ventil V1 enthält.
Der Saugraum 15 ist über ein Belüftungsventil V3 mit der Umgebungsluft verbindbar.
Ein Verseuchungsschutz-Ventil V4 verbindet die Schnüffelleitung 11 ungedrosselt mit dem Saugeinlass der Vakuumpumpe 13.
Die Schnüffelleitung 11 enthält ein zusätzliches Ventil V5, das im Gasfluss unmittelbar vor dem Ventil V4 angeordnet ist. Das Ventil V5 ist ein Magnetventil, das dazu benutzt wird, während des Standby-Modus den Fluss zu stoppen und so den Druck vor der Sensormembran des Quarzfenstersensors 16 auf den Enddruck der Vakuumpumpen absenken zu können.
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die verschiedenen Betriebsmodi „Normal", „Standby", „Schutz vor Verseuchung" und „Simulation Grobleck" angegeben und dazu die entsprechenden Stellungen der Ventile V1, V2, V3 und V4. Ferner enthält die Tabelle eine Angabe darüber, welches Element das Saugvermögen der Saugvorrichtung bestimmt.
Tabelle 1:
Das Ausführungsbeispiel von 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass das Belüftungsventil V3 in der Schnüffelleitung 11 sitzt und damit den Gasführungsraum 19 belüftet. Das Belüftungsventil V3 ist an seinem Einlass mit einer Drossel D3 versehen, um den Belüftungsstrom zu begrenzen. Das Verseuchungsschutz-Ventil V4 befindet sich auch hier zwischen der Schnüffelleitung 11 und der Vakuumpumpe 13.
Die Betriebsmodi der Ausführungsform nach 2 sind in der nachstehend wiedergegebenen Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2:
Die beiden gezeigten Varianten unterscheiden sich lediglich in der Betriebsweise während des Standby-Modus.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird während des Standby-Modus der Gasstrom weiter durch die Schnüffelleitung 11 geleitet. Da das geschnüffelte Gas auf dem Weg von der Schnüffelsonde 12 bis zum Quarzfenstersensor 16 kein Ventil passiert, hat das System ein kurzes Ansprechverhalten.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 wird der Gasstrom durch die Drossel D3 geführt. Der Leitwert der Drossel D3 ist gleich dem Leitwert der Schnüffelleitung 11 gewählt. So ist gewährleistet, dass der Gasfluss an dem Sensorfenster 17 während des Standby-Modus unverändert zum Normalbetrieb ist. Während des Standby-Betriebs wird bei dieser Variante ein in der Schnüffelleitung 11 vorgesehener Partikelfilter zusätzlich geschont.

Claims

Schnüffellecksucher mit Quarzfenstersensor, mit einer Schnüffelsonde (12), die über eine Schnüffelleitung (11) mit dem Quarzfenstersensor (16) verbunden ist, einer Vakuumpumpe (13) und einem vor dem Quarzfenster (17) des Quarzfenstersensors (16) angeordneten Saugraum (15), der mit der Vakuumpumpe (13) verbunden ist.
Schnüffellecksucher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugraum (15) eine Gasführungsplatte (8) enthält, die zusammen mit dem Quarzfenster (17) einen Gasführungsraum (19) begrenzt, und dass die Schnüffelleitung (11) in den Gasführungsraum (19) einmündet.
Schnüffellecksucher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Vakuumpumpe (13) zu dem Saugraum (15) führende Saugleitung (14) eine erste Drossel (D1) enthält und dass die erste Drossel (D1) durch eine eine zweite Drossel (D2) und ein Ventil (V2) enthaltende Umgehungsleitung (25) überbrückbar ist.
Schnüffellecksucher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Vakuumpumpe (13) zu dem Saugraum (15) führende Saugleitung (14) eine erste Drossel (D1) enthält und dass die erste Drossel (D1) durch eine ein Ventil (V1) enthaltende ungedrosselte Bypassleitung (26) überbrückbar ist.
Schnüffellecksucher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz vor Verseuchung des Quarzfenstersensors (16) die Schnüffelleitung (11) über ein Verseuchungsschutz-Ventil (V4) ungedrosselt mit der Vakuumpumpe (13) verbindbar ist.
Schnüffellecksucher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugraum (15) mit einem Belüftungsventil (V3) versehen ist.
Schnüffellecksucher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Belüftungsventil (V3) mit einer Drossel (D3) in Reihe geschaltet an die Schnüffelleitung (11) angeschlossen ist.
Schnüffellecksucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Normal-Betriebsmodus, in dem die Bypassleitung (26) gesperrt und die Umgehungsleitung (25) geöffnet ist.
Schnüffellecksucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Standby-Betriebsmodus, bei dem die Bypassleitung (26) geöffnet und die Umgehungsleitung (25) geöffnet ist.
Schnüffellecksucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verseuchungsschutz-Betriebsmodus, bei dem die Bypassleitung (26) und die Umgehungsleitung (25) geöffnet sind und das Belüftungsventil (V3) vorübergehend geöffnet wird und das Verseuchungsschutz-Ventil (V4) geöffnet ist.
Schnüffellecksucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus „Simulation Grobleck", in dem die Bypassleitung (26), die Umgehungsleitung (25) und das Belüftungsventil (V3) gesperrt sind.