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Die Erfindung betrifft eine Schnüffellecksuchvorrichtung mit einem Messgaseinlass zum Ansaugen von Messgas an einem Messort, wobei das Messgas auf das Vorhandensein eines möglichen Leckagegases am Messort zu untersuchen ist.
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Derartige Schnüffellecksuchvorrichtungen sind meist als handgeführte Sonden ausgebildet, die über eine gasleitende Verbindungsleitung mit einem Gasdetektor zur Gasanalyse verbunden sind. Über eine Schnüffelspitze der Schnüffelsonde wird ein Luftgasstrom angesaugt und einer Sensoreinheit im Gasdetektor zugeführt.
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Dabei wird untersucht, ob in dem analysierten Gasgemisch ein Leckagegas enthalten ist, das aus dem Inneren des Prüflings durch ein Leck im Prüfling nach außen entwichen ist. Hierzu wird der Prüfling typischerweise mit einem bekannten Prüfgas, wie z.B. Helium, gefüllt oder ist bereits mit einem Gas oder Kältemittel gefüllt, das als Prüfgas genutzt wird. Allerdings gibt es oftmals ein natürliches Vorkommen des verwendeten Prüfgases in der den Prüfling umgebenden Atmosphäre. So enthält Luft beispielsweise einen natürlichen Heliumanteil. Daher ist von Bedeutung, den natürlichen, nicht aus einem Leck im Prüfling resultierenden Anteil des verwendeten Prüfgases in der den Prüfling umgebenden Atmosphäre zu ermitteln.
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Hierzu ist es beispielsweise aus
EP 1 342 070 B1 bekannt, zusätzlich zu dem Messgaseinlass der Schnüffellecksuchvorrichtung einen von dem Messgaseinlass verschiedenen Referenzgaseinlass zu verwenden. Durch den Referenzgaseinlass soll Referenzgas aus der Umgebung des Messortes, also aus der Umgebung des untersuchten Prüflings und des vermuteten Lecks, angesaugt werden. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass der in dem Referenzgas vorkommende Anteil des verwendeten Prüfgases nicht aus einem Leck im Prüfling resultiert, sondern dem natürlichen Vorkommen des verwendeten Prüfgases in dem untersuchten Gasgemisch entspricht.
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Zwischen dem Referenzgaseinlass und dem Messgaseinlass wird mit Hilfe eines Umschaltventils umgeschaltet. Eine Gasförderpumpe ist durch einen Gasleitungsweg mit dem Umschaltventil verbunden, das wiederum wahlweise mit dem Messgaseinlass und/oder dem Referenzgaseinlass verbindbar ist. Dadurch kann mit Hilfe des Umschaltventils eine gasleitende Verbindung zwischen dem Messgaseinlass und einem in dem Weg zur Gasförderpumpe angeordneten Gassensor und/oder eine gasleitende Verbindung zwischen dem Referenzgaseinlass und dem Gassensor geschaffen werden. Die Gasförderpumpe saugt dann Gas aus dem Messgaseinlass und/oder dem Referenzgaseinlass je nach Schaltzustand des Umschaltventils an und fördert das angesaugte Gas zu dem Gassensor.
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Bei den bekannten Schnüffellecksuchvorrichtungen mit Umschaltung zwischen einem Messgaseinlass und einem Referenzgaseinlass wird als Gassensor typischerweise ein optischer Sensor in Form eines Infrarot-Gas-Analysators verwendet. Dabei wird eine Messküvette mit dem zu untersuchenden Gas gefüllt und anschließend mit Infrarotstrahlung durchleuchtet. Anhand des resultierenden Absorptionsspektrums kann auf die Zusammensetzung des Gases innerhalb der Messküvette geschlossen werden.
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Die herkömmlichen Infrarotgasanalysatoren gestatten kein beliebig schnelles Umschalten zwischen dem Messgaseinlass und dem Referenzgaseinlass. Vielmehr muss die verwendete Messküvette zunächst mit dem zu untersuchenden Gasgemisch gefüllt werden, bevor die Analyse erfolgen kann und anschließend das nachfolgend zu untersuchende Gasgemisch in die Messküvette eingebracht werden, bevor dieses untersucht werden kann. Daraus resultieren für die Umschaltung zwischen dem Messgaseinlass und dem Referenzgaseinlass durch das Umschaltventil begrenzte Umschaltfrequenzen, auch Modulationsfrequenzen genannt. Bei höheren Frequenzen wird die Sensitivität der Gasanalyse verringert, weil das Gas in der Messküvette nicht vollständig ausgetauscht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schnüffellecksuchvorrichtung bereitzustellen, die eine schnelle Umschaltung zwischen einem Messgaseinlass und einem Referenzgaseinlass bei der Gasanalyse ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Schnüffellecksuchvorrichtung ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch Patentanspruch 8.
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Die Schnüffellecksuchvorrichtung weist einen Messgaseinlass zum Ansaugen von Messgas an einem Messort auf, wobei das Messgas auf das Vorhandensein eines möglichen Leckagegases am Messort zu untersuchen ist. Als Leckagegas wird ein Gas bezeichnet, das durch ein Leck in einem Prüfling aus dem Innenraum des Prüflings in dessen äußere Umgebung entwichen ist und dort mit der Schnüffellecksuchvorrichtung aufgenommen wird. Typischerweise wird als Leckagegas ein bekanntes Prüfgas verwendet, mit dem der Prüfling befüllt wird oder das in dem Prüfling bereits enthalten ist. Ein von dem Messgaseinlass verschiedener Referenzgaseinlass ist zum Ansaugen von Referenzgas aus der Umgebung des Messortes vorgesehen, d.h. aus der Umgebung des Bereichs, in dem ein Leck vermutet wird und aus dem Gas durch den Messgaseinlass angesogen wird. Eine Gasförderpumpe der Schnüffellecksuchvorrichtung generiert einen Gasstrom durch einen den Messgaseinlass und den Referenzgaseinlass mit der Gasförderpumpe verbindenden Gasleitungsweg, um so das Gas durch den jeweils verwendeten Gaseinlass anzusaugen. Mit Hilfe eines Umschaltventils wird der Gasleitungsweg wahlweise mit dem Messgaseinlass und/oder mit dem Referenzgaseinlass derart verbunden, dass die Gasförderpumpe je nach Schaltzustand des Umschaltventils Gas durch den Messgaseinlass und/oder durch den Referenzgaseinlass ansaugt. Dabei kann ein Umschalten zwischen dem Messgaseinlass und dem Referenzgaseinlass erfolgen. Alternativ kann der Referenzgaseinlass kurzzeitig zu dem den Messgaseinlass mit der Gasförderpumpe verbindenden Gasleitungsweg zugeschaltet werden. Ein Gassensor analysiert das von der Gasförderpumpe angesogene Gas.
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Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Gassensor der Schnüffellecksuchvorrichtung nicht um einen herkömmlichen optischen Sensor, wie z.B. einen konventionellen Infrarotgasanalysator, sondern stattdessen vielmehr um einen Gassensor mit einer Sensorfläche, die mindestens eine physikalisch messbare Eigenschaft aufweist, die sich in Abhängigkeit von dem die Sensorfläche kontaktierenden Gas ändert und von dem Sensor messbar ist. Dabei ist die Sensorfläche derart angeordnet, dass zumindest ein Teil des von der Gasförderpumpe durch den Gasleitungsweg geförderten angesogenen Gases an dem Sensor entlanggeführt wird und dabei die Sensorfläche kontaktiert und die physikalische Eigenschaft der Sensorfläche verändert. Die physikalische Eigenschaft der Sensorfläche kann beispielsweise elektrisch gemessen werden, wobei das Messsignal zur Identifizierung von Gaskomponenten des untersuchten Gasgemischs ausgewertet wird.
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Bei der physikalischen Eigenschaft kann es sich beispielsweise um den elektrischen Widerstand der Sensorfläche handeln oder um die Spannungs-Strom-Kennlinie. So kann es sich bei dem Gassensor um einen Halbleitergassensor handeln. Alternativ kann es sich bei dem Gassensor auch um einen Wärmeleitungssensor handeln, bei dem die messbare physikalische Eigenschaft der Sensorfläche die Wärmeleitfähigkeit ist, die sich in Abhängigkeit von dem kontaktierenden Gas ändert.
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Die Erfindung bietet den entscheidenden Vorteil, dass gegenüber den im Stand der Technik bekannten optischen Sensoren eine deutlich geringere Gasmenge erforderlich ist, um ein elektrisches Messsignal zu generieren, das zur Gasdetektion geeignet ist. Während beispielsweise bei optischen Infrarotstrahlungsabsorptionssensoren das Sensorvolumen gefüllt werden muss, bevor ein aussagekräftiges Messsignal generiert werden kann, reicht bei einem Gassensor mit gassensitiver Sensorfläche lediglich ein sehr viel geringeres Gasvolumen aus, das die Sensorfläche kontaktiert oder benetzt.
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Damit bietet die Erfindung den Vorteil, dass das Gasvolumen innerhalb des Gassensors oder in der Messumgebung der Sensorfläche auf einen Wert beschränkt werden kann, der ein schnelles Umschalten des Umschaltventils mit schneller Signalreaktion des Gassensors ermöglicht. Vorzugsweise ist das Gasvolumen innerhalb des Gassensors oder in der Messumgebung der Sensorfläche auf einen Wert von 1 cm3, bevorzugt 500 mm3 und besonders bevorzugt 100 mm3 beschränkt. Das bedeutet, dass eine Gasmenge von maximal 1 scc,(Standard Kubikzentimeter), 0,5 scc bzw. 0,1 scc ausreicht, um ein elektrisch auswertbares Messsignal zu generieren und dadurch eine hohe Umschaltfrequenz des Umschaltventils zu ermöglichen. Zu einer Umschaltfrequenz des Umschaltventils von z.B. 4Hz muss der Gasförderfluss dann 8 sccs, (Standard Kubikzentimeter pro Sekunde), 4 sccs bzw. 0,8 sccs betragen, um einen kompletten Gasaustausch zu jedem Messzyklus zu erreichen.
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Wird dagegen ein Schnüffellecksucher mit größerem Schnüffelgasfluss betrieben, um so einen schnelleren Gasaustausch im Nachweisvolum zu erreichen, führt das dazu, dass die aufgenommene Leckagegasmenge stärker verdünnt wird, was wiederum mit einem Verlust an Sensitivität verbunden ist.
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Grundsätzlich kann ein schnellerer Gasaustausch im Nachweisvolumen bei unverändertem Schnüffelgasstrom erreicht werden, in dem der Arbeitsdruck im Nachweisvolumen auf ein konstant niedrigeres Niveau abgesenkt wird. Auch damit ist die auszutauschende Gasmenge reduziert. Dies führt jedoch zu einem reduzierten Prüfgaspartialdruck, was wiederum mit einer reduzierten Sensitivität verbunden ist, also ebenso nicht zielführend ist.
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So wird insbesondere bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Schnüffellecksuche eine Gasmenge von weniger als 1 scc (Standard Kubikzentimeter), weniger als 0,5 scc oder besonders bevorzugt von weniger als 0,1 scc an der Sensorfläche vorbeigeführt, während das Messsignal ausgewertet wird.
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Die reduzierte auszutauschende Gasmenge ermöglicht eine höhere Gasmodulationfrequenz mit vollständigem Gasaustausch im Nachweisvolumen und/oder ermöglicht ein Absenken des Schnüffelgasstroms auf das Mindestmaß zum vollständigen Gasaustausch im Nachweisvolumen zu jedem Modulationszyklus. Der reduzierte Schnüffelgasstrom wiederum führt zu einer erhöhten Prüfgaskonzentration bei gegebener Leckagerate, was wiederrum die Sensitivität des Nachweises verbessert.
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Derartige Halbleitergassensoren sind beispielsweise in Form von Metall-Oxid-Sensoren, bei denen die Sensorfläche eine Metall-Oxid-Beschichtung aufweist, bekannt, nicht jedoch im Bereich der Schnüffellecksuche.
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Halbleitersensoren (z.B SnO2-Sensoren) eignen sich zum Nachweis von Wasserstoff oder Kohlen-Wasserstoffen. Das Sensorverhalten ist allerdings nichtlinear, die Signalreaktion bei Änderungen auf geringem Konzentrationslevel ist stark, die Signaländerung flacht mit zunehmender Konzentration mehr und mehr ab, bei hohen Konzentrationen erfolgt nur noch eine geringe Signaländerung. Eine Signaländerung auf geringem oder mittlerem Konzentrationsniveau ist gut nachweisbar, eine solche Signaländerung wird durch den Modulationsbetrieb erzeugt, insbesondere wenn die Referenzgaskonzentration gering ist. Diesen Vorteil der starken Signalreaktion bei geringen Konzentrationen nutzt die Erfindung wie folgt aus:
- • Die Störgasunterdrückung bei der Gaswechsel-Modulation wird umso besser, je höher die Modulationsfrequenz gewählt wird.
- • Hier gilt eine Einschränkung: Sobald das Signal bei einem schnellen Modulationszyklus nicht mehr den vollen Signalhub erreicht, geht Empfindlichkeit verloren.
- • Bei einem optischen IR-Strahlungs-Absorptions-Nachweis wird eine ausreichende IR-Absorptionsstrecke in der Messküvette zwischen IR-Emitter und IR-Detektor benötigt. Die gesamte Mess-Gasküvette muss zu jedem Modulationszyklus zur vollen Empfindlichkeit komplett mit Messgas bzw. mit Referenzgas gefüllt sein. Um das Gasvolumen in der Küvette zu reduzieren, kann die Küvettenlänge gekürzt werden, hierdurch verkürzt sich jedoch auch die IR-Absortionsstrecke. Eine alternative Lösung zum schnelleren Gasaustausch wäre ein stärkerer Gasförderstrom (Gasfluss), dieser reduziert jedoch die Messgaskonzentration und damit die Empfindlichkeit für Leckagemessungen.
- • Aufgabenstellung ist also der schnelle komplette Gasaustausch am Sensor bei möglichst geringem Gasförderstrom um eine hohe Modulationsfrequenz zu erreichen.
- • Ein kompaktes und zugleich empfindliches Sensorelement ist beispielsweise ein Halbleitersensor. Der Einsatz eines Halbleitersensors im Zusammenhang mit Gas-Wechselmodulation ist bisher nicht bekannt.
- • Alternativ zum Halbleitersensor sind weitere Sensorelemente denkbar:
- - Gasselektives Wärmeleitungs-Sensorelement
- -Pirani-Gasdetektor
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Das Umschaltventil ist vorzugsweise zum Umschalten zwischen dem Messgaseinlass und dem Referenzgaseinlass mit einer Umschaltfrequenz oder Modulationsfrequenz von mindestens 4 Hz und vorzugsweise mindestens 8 Hz ausgebildet. Bei herkömmlichen Infrarotgasanalysatoren oder anderen optischen Sensoren führt eine derart hohe Umschaltfrequenz zu einem Sensitivitätsverlust. Die Halbleitergasanalyse ermöglicht jedoch ein derart schnelles Umschalten mit ausreichend hoher Sensitivität zur Auswertung der Messsignale sowohl des Messgases als auch des Referenzgases.
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Das Umschaltventil kann zum Zuschalten des Referenzgaseinlasses zu dem den Messgaseinlass mit der Gasförderpumpe verbindenden Gasleitungsweg mit einer Frequenz von mindesten 4 Hz ausgebildet sein. Auch hierbei kann die Frequenz (Modulationsfrequenz) mindestens 8 Hz betragen. Dadurch wird in wechselnden Intervallen dem Gassensor ein Gasgemisch zugeführt, das entweder nur aus dem Messgas besteht oder aus einer Mischung aus Messgas und Referenzgas.
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Die Sensorfläche des Halbleitergassensors weist vorzugsweise einen auf das Leckagegas bzw. das im Prüfling verwendete Prüfgas reagierenden elektrischen Widerstand oder Strom-Spannungs-Kennlinie auf. Vorzugsweise wird also der elektrische Widerstand der Sensorfläche oder Strom-Spannungs-Kennlinie des Halbleiters durch das verwendete Prüfgas verändert. Ein geeignetes Prüfgas ist beispielsweise Helium.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit der Gasförderpumpe ein Gasstrom erzeugt, der je nach Schaltstellung des Umschaltventils durch den Messgaseinlass und/oder den Referenzgaseinlass angesogen und entlang des Gasleitungsweges derart an dem Gassensor vorbeigeführt wird, dass Gasbestandteile des Gasstroms mit der Sensorfläche derart reagieren, dass sich der elektrische Widerstand der Sensorfläche oder Strom-Spannungs-Kennlinie des Halbleiters je nach Gastyp des Gasbestandteils verändert, um dadurch ein durch den Messgaseinlass angesogenes Leckagegas oder Prüfgas zu detektieren. Der elektrische Widerstand der Sensorfläche wird elektrisch gemessen, wobei das Messsignal der Widerstandsmessung für die Gasanalyse verwendet wird.
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Vorzugsweise wird das Umschaltventil auf den Referenzgaseinlass umgeschaltet oder verbindet den Referenzgaseinlass mit dem Gasleitungsweg zwischen Messgaseinlass und Gassenor, um durch den Referenzgaseinlass eingesogenes Gas aus der Umgebung des Messorts auf das Vorhandensein von Leckagegaskomponenten zu untersuchen und diese Leckagegaskomponenten bei der Auswertung des durch den Messgaseinlass angesogenen Gases zu berücksichtigen. So ist insbesondere denkbar, dass die ermittelten Anteile von Prüfgas oder Leckagegas in dem untersuchten Referenzgas von den entsprechenden Anteilen des Prüfgases oder Leckagegases in dem analysierten Messgas abgezogen werden, um so denjenigen Prüfgasanteil oder die Prüfgaskonzentration zu ermitteln, die aus einem Leck im Prüfling stammt.
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Im Folgenden wird anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Die dargestellte Schnüffellecksuchvorrichtung 10 weist eine handgeführte Schnüffelsonde 12 auf, die über eine Gasverbindungsleitung [13][DW1] mit einer Gasförderpumpe 16 verbunden ist. In der Schnüffelsonde 12 ist ein Gassensor 18 angeordnet. Hierzu weist die Schnüffelsonde 12 ein Gehäuse 14 auf, welches auch den Gassensor 18 umschließt. In dem Gehäuse 14 ist zudem ein Dreiwege-Umschaltventil 20 angeordnet, welches durch einen Gasleitungsweg 22 mit dem Gassensor 18 verbunden ist. Ein weiterer Abschnitt des Gasleitungsweges 22 verbindet den Gassensor 18 mit der Gasförderpumpe 16, wobei der außerhalb des Gehäuses 14 verlaufende Anteil des Gasleitungsweges 22 durch die Gasverbindungsleitung 13 gebildet wird.
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Das Gehäuse 14 weist eine Messgasschnüffelspitze 24 und eine Referenzgasschnüffelspitze [26][DW2] auf. Die beiden Schnüffelspitzen 24, 26 können auch in einem gemeinsamen Gehäuse einer gemeinsamen Schnüffelspitze vereint oder angeordnet sein. Die Referenzgasschnüffelspitze 26 kann alternativ auch am Gehäuse 14 weiter von der Messgasschnüffelspitze 24 entfernt angebracht sein.
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Die Messgasschnüffelspitze 24 weist an ihrem vorderen, dem Gehäuse 14 gegenüberliegenden Ende einen Messgaseinlass 28 auf. In entsprechender Weise ist das dem Gehäuse 14 gegenüberliegende Ende der Referenzgasschnüffelspitze 26 mit einem Referenzgaseinlass 30 versehen. Von besonderer Bedeutung ist, dass der Messgaseinlass 28 durch einen Messgasleitungsweg 32 mit einem ersten Anschluss des Umschaltventils 20 verbunden ist, während der Referenzgaseinlass 30 durch einen Referenzgasleitungsweg 34, der von dem Messgasleitungsweg 32 verschieden ist, ebenfalls mit dem Umschaltventil 20 verbunden ist. Dabei ist der Messgasleitungsweg 32 an einen ersten Anschluss 36 des Umschaltventils 20 angeschlossen, während der Referenzgasleitungsweg 34 an einen zweiten Anschluss 38 des Umschaltventils 20 angeschlossen ist, während der Gasleitungsweg 22 an einen dritten, von den ersten beiden Anschlüssen 36, 38 verschiedenen Anschluss 40 des Umschaltventils 20 angeschlossen ist.
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Das Umschaltventil 20 verbindet wahlweise entweder den ersten Anschluss 36 oder den zweiten Anschluss 38 mit dem dritten Anschluss 40, so dass im Falle des ersten Anschlusses 36 der Messgasleitungsweg 32 mit dem Gasleitungsweg 22 verbunden wird, während im Falle des zweiten Anschlusses 38 der Referenzgasleitungsweg 34 mit dem Gasleitungsweg 22 verbunden wird.
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Alternativ oder ergänzend besteht die Möglichkeit, dass das Umschaltventil 20 sowohl den ersten Anschluss 36 als auch den zweiten Anschluss 38 mit dem dritten Anschluss 40 verbindet, so dass in dem Fall sowohl der Messgasleitungsweg 32 als auch der Referenzgasleitungsweg 34 mit dem Gasleitungsweg 22 verbunden sind.
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Der Gassensor 18 ist als Halbleitersensor in Form eines Metall-Oxid-Sensors ausgebildet. Dabei weist der Gassensor 18 eine Sensorfläche 42 in Form einer Metall-Oxid-Oberfläche auf. Die Sensorfläche 42 ist derart innerhalb des Gassensors 18 angeordnet, dass der entlang des Gasleitungsweges 22 innerhalb des Gehäuses 14 geführte Gasstrom an der Sensorfläche 42 vorbeiströmt. Dadurch gelangt ein Teil des geförderten Gasgemisches in Kontakt mit der Sensorfläche 42 und beeinflusst den elektrischen Widerstand der Sensorfläche 42 oder die Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors. Je nach Gasart der mit der Sensorfläche 42 in Kontakt kommenden Gasbestandteile wird der Sensorwiderstand verändert.
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Der Widerstand der Sensorfläche 42 wird auf elektrisch herkömmliche und bekannte Weise gemessen, wobei aus dem Messsignal der Widerstandswerte auf die Gaszusammensetzung an der Sensorfläche 42 geschlossen wird und so insbesondere konkrete Gasbestandteile, wie z.B. in einem Prüfling enthaltenes Prüfgas, detektiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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