DE1035379B - Vorrichtung zum Auffinden von Undichtigkeiten an Behaeltern - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es sind bereits Halogen-Leckfinder bekanntgeworden, welche als Meßsystem eine Diodenstrecke, gebildet aus einer beheizten Anode und einem Auffänger (Kathode), verwenden. Die Anode wird dabei oft aus einem röhrchenförmigen Platinblech gebildet, in dessen Innenraum eine elektrische Heizspirale angeordnet ist. Da die Wirksamkeit derartiger Ionenquellen wesentlich von den Verunreinigungen des Platinblechs, vor allem durch Alkalimetalle, abhängt, hat man bei ebenfalls bekannten Meßsystemen im Inneren des Anodenröhrchens in der Umgebung des elektrischen Heizdrahtes Stoffe angebracht, aus denen Alkalimetalle bei Erhitzung austreten. Die Alkalimetalle wandern dann in einem Diffusionsvorgang durch die hocherhitzte Oberfläche des Platinblechs hindurch und werden an der Oberfläche ionisiert. Die gebildeten Ionen gehen auf Grund der Ladungsverhältnisse zum Auffänger über. Arbeitet ein solches Meßsystem unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen bei entsprechendem Vakuum in einem Raum, der keine halogenhaltigen Gase enthält, so fließt zwischen Anode und Auffänger nur ein sehr schwacher sogenannter Nullstrom, etwa in der Größenordnung 5 bis 10 Mikroampere. Bei der Anwesenheit von Halogen steigt dieser Strom jedoch sofort stark an und kann bis zum Hundertfachen des Nullstromes betragen. Die Veränderung des Ionenstromes bei Anwesenheit von Halogen wird dann durch ein empfindliches Meßinstrument angezeigt, und da die Änderung des Ionenstromes relativ empfindlich reagiert, ist ein solches Meßgerät zum Auffinden von Undichtigkeiten an Behältern, die halogenhaltige Stoffe enthalten (z. B. Kühlaggregate), sehr gut geeignet.

Bei einer vorbekannten Ausführungsform wird durch ein Diodenmeßsystem fortlaufend ein konstanter Luftstrom hindurchgeführt, der von einer Meßsonde angesaugt wird, die bei der Prüfung über die Fehlerstellen des Meßsystems hinwegstreicht. Hierdurch ist es möglich, die auftretende Fehlerstellegenau zu lokalisieren. Das aufgefundene Leck kann sowohl durch Zeigerausschlag an einem Meßinstrument, als auch durch akustische Signale über einen Lautsprecher angezeigt werden.

Man hat versucht, derartige Meßsysteme auch zur Auffindung von Lecks in Vakuumanlagen zu verwenden. Hierzu wurde das Meßsystem in geeigneter Weise mit dem Innenraum der zu untersuchenden Vakuumanlage in Verbindung gebracht und gleichzeitig eine Vakuumpumpe, welche das System fortlaufend evakuiert, in Betrieb gesetzt. Sind an der Vakuumanlage Leckstellen vorhanden, so dringt die umgebende Außenluft durch diese in den Innenraum ein und verursacht eine fortgesetzte Luftströmung. Bei sehr kleinen Lecks ist es unter Umständen zweck-Vorrichtung zum Auffinden
von Undichtigkeiten an Behältern

Anmelder:

E. Leybold's Nachfolger,
Köln-Bayental, Bonner Str. 504

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. Dezember 1955

Jonathan Russell Roehrig, Sudbury, Mass.,
¹S und Richard Butterworth Lawrance, Winchester, Mass.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

mäßig, ein zusätzliches bekanntes Leck anzuordnen, damit die bereits erwähnte Luftströmung eine ausreichende Größe aufweist, so daß eine rasche Durchspülung des gesamten Innenraumes erreicht wird. Zur Prüfung besprüht man die Außenseite der Vakuumanlage mit einem Teststoff, der Halogene enthält, z. B. mit CF₂Cl₂. Dieser Stoff wird zusammen mit der Luft durch die Leckstellen in den Behälter eingesaugt und gelangt mit der Luftströmung in das entsprechend angeordnete Diodenmeßsystem, welches die Leckstelle nunmehr durch einen Ausschlag kennzeichnet.

Will man mit dieser Methode sehr kleine Lecks aufsuchen, so steigen die Anforderungen an die Meßempfindlichkeit stark an, da dies darauf hinausläuft, unter Umständen Stromstärkeänderungen von ungefähr 1 Mikroampere sicher zu erkennen. Eine solche Meßaufgabe wäre zwar allgemein ohne besondere Schwierigkeiten zu lösen, doch stören im vorliegenden Falle außerordentlich die Instabilitäten in der Anlage und im Meßsystem. Vor allem sind zwei wichtige Einflußgrößen nicht völlig genau konstant zu halten, nämlich der Druck und die Oberflächentemperatur der Anode. Mit ansteigendem Druck wird jedoch auch die Oberflächentemperatur der Anode durch die geänderten Wärmeableitungsverhältnisse verändert und außerdem die Ionenbildung, welche unter anderem von der Zahl der vorhandenen Gasmoleküle abhängt. Diese Effekte bewirken eine instabile Veränderung des Nullstroms, die den gewünschten Signaleffekt völlig überdecken kann. In dem Meßsystem sind somit zwei Signale, die voneinander getrennt werden müssen und von denen nur das eine den gewünschten Informationsinhalt enthält:

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1. »Nutzsignal«, entsprechend dem anzuzeigenden Auftreten von Halogenen im Meßsystem,

2. »Störsignal«, entsprechend allen übrigen Veränderungen, die auf den Ionenstrom einwirken.

Die neue Erfindung geht nun von diesen Voraussetzungen aus und zeigt einen Weg, um die aufgefundenen Schwierigkeiten zu überwinden. Wird nach der vorbeschriebenen Methode durch Absprühen mit halogenhaltigen Teststoffen eine Leckstelle ermittelt, so steigt der Ionenstrom im Meßsystem zunächst innerhalb relativ kurzer Zeit, z. B. 15 Sekunden, steil an, während dann anschließend beim Aufhören der Halogenenzufuhr ein etwas langsameres Abklingen, z. B. innerhalb von 45 Sekunden, eintritt. Die instabilen Störungen verlaufen dagegen in einem ordnungsgemäß betriebenen System wesentlich langsamer. Es liegen somit in beiden Signalen unterschiedliche Frequenzen vor, was eine Trennung durch elektrische Mittel ermöglicht.

Die vorliegende neue Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Anzeigen von Undichtigkeiten in Behältern, in denen ein vom atmosphärischen Druck abweichender Druck herrscht, bestehend aus einem halogenempfindlichen Meßsystem und einem Anzeigegerät. Das Kennzeichnende wird darin gesehen, daß das Meßsystem und das Anzeigegerät mit einem frequenzabhängigen Schaltelement derart kombiniert sind, daß nur Signale mit einem gewünschten Frequenzspektrum angezeigt werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung kann darin bestehen, daß das frequenzabhängige Schaltelement ein Hochpaß ist. Es kann ferner vorteilhaft sein, die Grenzfrequenz des Hochpasses bei etwa V₆₀ Hertz festzulegen. Ein weiterer Vorteil wird gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung dadurch erreicht, daß zwischen Meßsystem und Anzeigegerät ein Verstärker mit frequenzabhängigem Verstärkungsfaktor eingeschaltet ist. Vorteilhaft kann dieser Verstärker derart ausgebildet sein, daß seine Eingangs- und Ausgangsgrößen nach der Art eines Hochpasses frequenzabhängig sind. Ein weiterer Vorteil ist dadurch möglich, daß zwischen Meßsystem und Anzeigegerät ein Bandfilter eingeschaltet ist, dessen Durchlaßbereich zwischen V₃ bis V₆₀ Hertz festgelegt ist. Man kann schließlich den Verstärker zwischen Meßsystem und Anzeigegerät so ausbilden, daß seine Eingangs- und Ausgangsgrößen nach der Art eines speziellen Bandfilters frequenzabhängig sind. Der Durchlaßbereich eines solchen Verstärkers mit speziellem Bandfiltercharakter kann dann ebenfalls zwischen V₃ bis Veo Hertz liegen. Dabei ist es günstig, bei der Verwendung eines Tiefpasses oder eines Bandfilters die Grenzfrequenz bzw. den Durchlaßbereich veränderbar zu machen, so daß eine Anpassung an die vorliegende Meßaufgabe möglich wird.

Durch die Anwendung der vorgeschlagenen Maßnahmen oder einzelnen davon wird eine Trennung zwischen Nutzsignal und Störsignal herbeigeführt. Geht man von den, einfacheren Anordnungen mit reinem Hochpaßcharakter aus, so ist festzustellen, daß außer dem erwünschten Nutzsignal noch Störsignale zum Anzeigegerät gelangen, welche nicht von langsam verlaufenden Instabilitäten herrühren. Es handelt sich vielmehr um Störsignale höherer Frequenz, vor allem um Rauscheffekte. Die Meßanordnung wird daher wesentlich verbessert, wenn auch diese höherfrequenten Störsignale zum Anzeigegerät ferngehalten werden. Hierzu muß ein Bandfilter vorgesehen werden, dessen Durchlaßbereich mit der Frequenzbandbreite des Nutzsisnais übereinstimmt.

Bei einer empfehlenswerten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Heizwicklung oder die Oberfläche der Anode mit einer Temperaturkontroll- und -regeleinrichtung versehen, welche die Oberflächentemperatur der Ionenquelle weitgehend konstant hält. Zwischen dem Diodenmeßsystem und dem Anzeigegerät liegt dann vorteilhaft ein Gleichstromverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor und frequenzabhängiger Gegenkopplung zwischen den Stufen. Ein solcher

ίο Verstärker kann im Hinblick auf die angestrebte enge Bandfiltercharakteristik dimensioniert werden, so daß nur Nutzsignale von der vorher festgelegten Frequenzbandbreite mit entsprechender Verstärkung zum Anzeigegerät weitergeleitet werden.

Aus der Zeichnung ist eine zu empfehlende Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ersehen.

Ein halogenempfindliches Diodensystem 6 mit einer Platinanode 8 und einem Ionenfänger 12 ist so angebracht, daß es durch eine Vakuumpumpe 14 evakuiert wird. Diese Pumpe evakuiert das Gas aus der zu prüfenden Apparatur in die Röhre 16, so daß beim Auftreten einer Leckstelle das Testgas zwischen der Platinanode 8 und dem Ionenfänger 12 hindurchströmt, wobei ein positiver Ionenstrom entsteht. Das festgestellte Testgas wird anschließend aus dem halogenempfindlichen Diodensystem 6 durch die Pumpe 14 abgesaugt. Unter gewissen Arbeitsbedingungen ist es angebracht, ein regelbares Hilfsleck 13 zu schaffen, das gemäß der Zeichnung angebracht werden kann und wodurch ein Strom reiner Luft oder ein halogenfreies Gas in die Vakuumapparatur eingeführt werden kann. Hierdurch kann sowohl ein optimaler Arbeitsdruck als auch eine rasche Spülung des Dioden- systems 6 erzielt werden. Die Platinanode 8 ist vorzugsweise so angeordnet, daß ihre elektrische Heizwicklung mit einer Temperaturkontroll- und -regeleinrichtung 10 in Verbindung steht (sie kann beispielsweise als Zweig einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet sein), welche eine weitgehend konstante Oberflächentemperatur der Ionenquelle sichert.

Der positive Ionenausgangsstrom aus der halogenempfindlichen Diodenstrecke 6 dient als Eingangsgröße für einen zweistufigen Verstärker, welcher Röh-

+5 ren Vl und V 2 enthält. Die Eingangsgröße des Verstärkers wird zunächst über die Röhre Fl in üblicher Weise verstärkt und an die als Kathodenverstärker arbeitende zweite Stufe mit der Röhre V2 weitergegeben. In die Kopplungszuleitung ist ein RC-GYied, gebildet aus einem vorzugsweise veränderlichen Widerstand R 2 und einem Kondensator Cl, eingeschaltet. Die Zeitkonstante dieses i?C-Gliedes R2-C1 liegt in der Größenordnung einer Minute. Hierdurch gelangen Signale, deren Frequenz oberhalb V₆₀ Hertz liegt, nicht in der für die Gegenkopplung erforderlichen Phasenlage zur ersten Stufe der Röhre Vl zurück. Diese Nutzsignale werden daher voll verstärkt (etwa hundertfach) und einem Meßgerät M oder einer entsprechenden Lautsprecheranlage 18 zugeführt. Als

So Ergebnis dieser Anordnung wird das Anzeigegerät nur von Nutzsignalen betätigt, welche die Frequenzcharakteristik einer Leckstelle aufweisen. Die Vorrichtung ist unempfindlich gegen langsame Abweichungen des Ionenstromes (beispielsweise durch unerwünschte Druckänderungen), sogar dann, wenn diese Ionenströme innerhalb einiger Minuten wesentlich ansteigen.

Durch die Gegenkopplung mit Hilfe des i?C-Gliedes i?2Cl werden zwar Frequenzen unterhalb einer bestimmten Frequenz von der Verstärkung ausgeschlos-

sen. Trotzdem würden in dieser Schaltung die höheren Störsignale zum Anzeigegerät gelangen, hingegen ist es jedoch durch einen Kondensator C2 parallel zum Widerstand R2 geschätzt. Dieser Kondensator C2 schließt die höherfrequenten Störsignale unmittelbar am Widerstand R 2 kurz.

Die Verstärkeranordnung enthält in bekannter Weise eine Stromquelle B1 und eine Stromquelle 52 zur Gewinnung einer entsprechenden Vorspannung. In die Zuführung zum Gitter der Röhre Vl ist in ebenfalls bekannter Weise ein GittervorwiderstandRl gelegt. Es sind ferner ein Anodenwiderstand R 3 und ein Kathodenwiderstand R 4 vorhanden. Der Widerstand R2 des 7?C-Gliedes ist, wie gezeigt, einstellbar, so daß die Zeitkonstante R2 Cl verändert werden kann, wodurch eine Anpassung an die spezielle Art des aufgesuchten Lecks möglich ist. Sollen beispielsweise relativ große Lecks aufgesucht werden, so ist eine relativ kleine Zeitkonstante (in der Größenordnung von ¹Z₆ bis V₃ Minute) empfehlenswert, weil diese eine schnelle Wiederherstellung des Meßsystems bewirkt, so daß die nächste Leckstelle schneller aufgefunden werden kann. In einer empfehlenswerten Ausführungsform der Erfindung ist die Kapazität C1 durch eine entsprechende elektronische Kunstschaltung, welche ebenfalls die Eigenschaft einer Kapazität hat, ersetzt. Mit Rücksicht auf die hohen Zeitkonstanten würde die Anwendung eines gewöhnlichen Kondensators wegen der hohen Kapazitätswerte ungünstige Bauabmessungen und hohe Kosten mit sich bringen.

Die Temperatur der Platinanode 8 in dem halogenempfindlichen Diodensystem 6 wird vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 800° C gehalten. Dies kann üblicherweise dadurch erreicht werden, daß die Temperaturkontroll- und -regeleinrichtung 10 so eingestellt wird, daß der unverstärkte Strom am Anzeigegerät etwa 5 bis 10 Mikroampere beträgt. Dann ergibt sich eine Temperatur, welche hoch genug ist für eine entsprechende Empfindlichkeit und gleichermaßen niedrig genug, so daß der Vorrat an Alkalimetallatomen im Platin nicht zu rasch aufgebraucht wird.

Die vorliegende Erfindung soll nicht in irgendeiner Weise auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt sein. Es können beispielsweise an Stelle der i?C-Kombination, welche in dem ausgeführten Beispiel verwendet wird, verschiedene andere Kreise mit einer bestimmten Zeitkonstante angewendet werden, sogar mechanische oder quasi mechanische Elemente. Es ist ferner nicht nötig, die angegebene Gegenkopplungsschaltung zu verwenden, obwohl sie empfehlenswert ist. Die empfehlenswerte Änderung der Zeitkonstanten durch die Einstellung am Widerstand R 2 kann auch auf andere Weise vorgenommen werden. Es ist ferner möglich, den Widerstand R2 zeitweise durch eine Diode zu überbrücken, so daß eine rasche Entladung der Kapazität Cl erfolgt, welche das System sehr schnell wieder in den Ausgangszustand zurückführt, so daß die Lecksuche nicht durch entsprechend lange Regenerierungszeiten aufgehalten wird.

Es ist ferner möglich, mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung Lecks in Behältern aufzusuchen, welche unter einem Überdruck von halogenenthaltenden Gasen stehen. In diesem Fall ist die Röhre 16 durch eine entsprechend drosselnde Durchlaßöffnung zu ersetzen, beispielsweise durch ein langes, schmales Kupferrohr, wodurch es möglich wird, in dem Meßsystem bei angeschlossener Vakuumpumpe 14 einen Druck in der Größenordnung von 1 mm Hg fortgesetzt aufrechtzuerhalten, obwohl das eine Ende der Röhre nach der Atmosphäre hin offen liegt. Zum Aufsuchen der Fehlerstelle wird das freie Ende des Drosseldurchgangs (beispielsweise der langen Kupferröhre) an der Oberfläche des Behälters in geringem Abstand entlanggeführt. Tritt dabei an einer Leckstelle halogenhaltiges Gas aus, so wird dieses angesaugt und in den Bereich der Platinoberfläche gebracht. Hierdurch entsteht in bekannter Weise die Anzeige der Leckstelle. Da verschiedene Änderungen an der beschriebenen Vorrichtung vorgenommen werden können, ohne vom grundsätzlichen Erfindungsgedanken abzuweichen, soll ausgeführt werden, daß alles, was in der vorstehenden Beschreibung niedergelegt oder gezeigt ist, in Beziehung mit dem Schaltbild lediglich als Erläuterung, nicht jedoch als Beschränkung aufzufassen ist.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Anzeigen von Undichtigkeiten in Behältern, in denen ein vom atmosphärischen Druck abweichender Druck herrscht, bestehend aus einem halogenempfindlichen Meßsystem und einem Anzeigegerät, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem und das Anzeigegerät mit einem frequenzabhängigen Schaltelement derart kombiniert sind, daß nur Signale mit einem gewünschten Frequenzspektrum angezeigt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzabhängige Schaltelement ein Hochpaß ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Hochpasses bei etwa V₆₀ Hertz liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Meßsystem und Anzeigegerät ein Verstärker mit frequenzabhängigem Verstärkungsfaktor eingeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker derart ausgebildet ist, daß seine Eingangs- und Ausgangsgrößen nach der Art eines Hochpasses frequenzabhängig sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Meßsystem und Anzeigegerät ein Bandfilter eingeschaltet ist, dessen Durchlaßbereich zwischen V₃ bis ¹Z₆₀ Hertz liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker zwischen Meßsystem und Anzeigegerät so ausgebildet ist, daß seine Eingangs- und Ausgangsgrößen nach der Art eines speziellen Bandfilters frequenzabhängig sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßbereich des Bandfilters einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ausbildung des frequenzabhängigen Schaltelementes vorzugsweise angewendeten Kapazitäten durch an sich bekannte elektronische Kunstschaltungen realisiert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen