DE19535832C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis eines leichten Spürgases - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Nachweis eines leichten Spürgases wie Helium, insbesondere zur Lecksuche, sowie auf ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung.

Eine seit langem benutzte Methode zum Aufspüren von Lecks besteht darin, den zu prüfenden Behälter auf einen Druck von z. B. 10 hPa zu evakuieren und von außen mit einem Spürgas, z. B. Helium, zu besprühen. Der stärkere Druckan­ stieg im Behälter gegenüber Luft ist dann ein Maß für das Leck. Dieser Druckanstieg wird oft mit einem thermoelektri­ schen Druckmesser, z. B. einer sogenannten Pirani-Meßzelle, beobachtet (siehe z. B. Patent Abstracts of Japan P-1604 vom 31.8.1993, Vol. 7 N° 481 betreffend JP-A-5-118949).

Die Genauigkeit dieser Messung wird durch die Tatsa­ che beeinträchtigt, daß man beim Beaufschlagen des vorhande­ nen Lecks mit Helium nicht unterscheiden kann, ob der gemes­ sene Druckanstieg durch die höhere Einströmrate des Heliums im Vergleich zu Luft entstand oder zusätzlich auf der be­ kannten erhöhten Empfindlichkeit der Pirani-Meßzelle für leichte Gase beruht.

Fig. 1 zeigt im doppelt logarithmischen Maßstab die gasartspezifischen Abweichungen des Meßsignals in einer Pi­ rani-Meßzelle, wobei auf der Abszisse der tatsächliche Druck in hPa und auf der Ordinate der an der Meßzelle abgelesene Druck, ebenfalls in hPa aufgetragen ist. Die Meßzelle sei für Luft oder Stickstoff kalibriert. Man erkennt daraus, daß oberhalb von etwa 5 hPa die Abhängigkeit von der Gasart deutlich zunimmt. Dadurch wird in diesem Druckbereich diese Lecksuchmethode sehr ungenau.

Es wäre an sich möglich, dieses Problem mit einem für das Spürgas selektiven Meßsystem zu lösen, wie z. B. einem Massenspektrometer, jedoch handelt es sich hier um eine teu­ re und sehr empfindliche Einrichtung, die nur im Hochvakuum betrieben werden kann und bei Druckeinbrüchen, wie sie durch Groblecks verursacht werden können, beschädigt wird.

Eine solche Einrichtung ist z. B. in Patent Abstracts of Japan 98 P1572 betreffend JP-A-5-60645, veröffentlicht am 12.3.1993 beschrieben. Dort wird zusätzlich eine thermoelek­ trische Piranimeßzelle für die Vakuum-Grobmessung verwendet.

Durch die Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben, die preiswerter sind und auch bei Gro­ blecks mit Heliumkonzentrationen bis zu einigen zehn ppm eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Vorrichtung bzw. durch das im Anspruch 3 definierte Verfah­ ren gelöst.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 wurde bereits beschrieben und zeigt die Gas­ art-Abhängigkeit von Pirani-Meßzellen.

Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vor­ richtung bei der Lecksuche.

Ein Testbehälter 1, dessen Dichtheit überprüft werden soll, ist über ein Ventil 2 an eine Pumpleitung 3 ange­ schlossen, in der durch eine ggf. mehrstufige Vakuumpumpe 4 ein Vakuum von z. B. 10 hPa hergestellt werden kann. Ist das Ventil 2 offen, wird der Behälter 1 auf diesen Druck evaku­ iert.

An die Pumpleitung 3 sind zwei Meßzellen 5 und 6 über ein gemeinsames Ventil 7 angeschlossen, die nach unter­ schiedlichen Meßprinzipien arbeiten. Die Meßzelle 5 ist eine thermoelektrische Meßzelle, auch Pirani-System genannt, wäh­ rend die Meßzelle 6 nach dem piezoelektrischen, vorzugsweise piezoresistiven Meßprinzip arbeitet. Beide Meßzellen sollen gut temperaturkompensiert sein, wobei diese Kompensation auch rechnerisch in einem Mikroprozessor 8 erfolgen kann, der die Meßsignale der beiden Zellen empfängt und ggf. zu­ sätzlich ein Temperaturmeßsignal.

Auf die Darstellung von Schnittstellenschaltungen zwischen den Meßzellen und dem Mikroprozessor zur Digitali­ sierung der Meßsignale wird hier verzichtet, da es sich hier um dem Fachmann vertraute Bauteile handelt.

Wäre nur, wie beim Stand der Technik, die Pirani-Meß­ zelle vorhanden, dann könnte man einen gemessenen Druck­ anstieg nicht eindeutig dem in den Behälter 1 schneller als Luft oder andere schwere Gase eingedrungenen Helium zuord­ nen, da der Druck im Behälter auch aufgrund der eindringen­ den Luft ansteigt.

Durch den Vergleich der Meßsignale der beiden Meßzel­ len 5 und 6 wird dieser Unsicherheitsfaktor behoben.

Erfindungsgemäß wird dabei folgendermaßen vorgegan­ gen:
Vor Beginn der eigentlichen Messung, d. h. ehe der Behälter 1 mit Helium besprüht wird, evakuiert man mit der Pumpe 4 das Meßsystem einschließlich des Behälters 1 auf einen geeigneten Wert von z. B. 10 hPa. Ist der gewünschte Druck erreicht, werden die Meßsignale der beiden Meßzellen im Mikroprozessor 8 registriert. Da die Pirani-Meßzelle 5 gewöhnlich auf Luft oder Stickstoff kalibriert ist, ergibt der Meßwert dieser Meßzelle einen korrekten Druckwert, der dann auch dem Meßwert der Meßzelle 6 zugeordnet wird.

Nun wird der Behälter durch eine nicht dargestellte Sonde von außen mit Helium besprüht, was zu einem Anstieg des Helium-Partialdrucks in der Pumpleitung 3 führt, falls ein Leck besprüht wird. Die neuen Meßwerte von beiden Meß­ zellen gelangen in den Mikroprozessor und werden dort so ausgewertet, daß der Unterschied der Druckwerte der beiden Meßzellen als Maß für das Leck gilt. Dieser Unterschied be­ ruht praktisch ausschließlich auf der unterschiedlichen Emp­ findlichkeit der beiden Meßzellen für Helium. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Empfindlichkeit der Pirani-Meßzelle für Helium in dem erwähnten Druckbereich deutlich größer als für andere Gase, während die piezoelektrische Meßzelle prak­ tisch einen gasartunabhängigen Druck liefert, der beispiels­ leise der Eichkurve für Luft in Fig. 1 entspricht.

Die Differenz der von den beiden Meßzellen ermittel­ ten Druckwerte kann unmittelbar als Heliumkonzentration bzw. Leckrate angezeigt werden.

Mit dieser Anordnung können Leckraten bis in den Bereich von 10^-6 hPals^-1 gemessen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch für den rauhen Betrieb in der Produktion, da die Meßzellen bei jedem Druck eingeschaltet und betrieben werden können, ohne daß die Gefahr einer Zerstörung bei auftretenden Druckein­ brüchen entsteht. Außerdem ist die Anzeige immer eindeutig und die Einstellzeit sehr kurz.

Die Erfindung ist nicht im einzelnen auf das darge­ stellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann sie auch für die Lecksuche nach der Schnüffelmethode eingesetzt werden, bei der der zu überprüfende Behälter vorab mit Helium unter einem Überdruck gefüllt wird und dann mit einer Schnüffel­ sonde außen um den Behälter herum nach austretendem Helium gesucht wird.

Wird mit einem mehrstufigen Vakuumsystem gearbeitet, kann der Druck im Prüfling sehr wohl auch deutlich unter 5 hPa liegen. Wird der Piezo/Pirani-Sensor an einer Stelle des Pumpsystems angeordnet, bei welcher der Druck deutlich höher liegt als 5 hPa, ist eine Dichtheitskontrolle bzw. Lecksuche leicht möglich. Die Meßzelle Piezo/Pirani kann hierbei sogar am Auslaß des Pumpsystems, also bei Atmosphärendruck ange­ ordnet sein.

Weiter ist die Erfindung nicht beschränkt auf Helium als Spürgas, sondern ist auf alle Spürgase anwendbar, deren Nachweisempfindlichkeit in einer Pirani-Meßzelle sich deut­ lich von Luft unterscheidet. Schließlich ist die Erfindung auch nicht nur auf die Lecksuche, sondern allgemein auf den Nachweis bestimmter Gase in einer Atmosphäre anwendbar, de­ ren Nachweis in einer Pirani-Meßzelle einen deutlich anderen Meßwert als die Basisatmosphäre ergibt.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Nachweis eines leichten Spürgases, insbesondere zur Lecksuche mit einer thermoelektrischen Meßzelle und einer Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sensorkopf mit einer piezoelektrischen Meßzel­ le (6) parallel zu der thermoelektrischen Meßzelle (5) (Pirani-System) und einen Mikroprozessor (8) aufweist, der die Meßsignale beider Zellen zugeführt erhält und aus deren Vergleich den Spürgasanteil errechnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopf (5, 6) am Auslaß der Vakuumpumpe (4) liegt, die einen Testbehälter (1) evakuiert.

3. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 bei der Lecksuche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der eigentlichen Lecksuche, d. h. im spürgasfreien Zustand, die piezoelektrische Meßzelle (6) mit dem Mikroprozessor (8) auf den Druckwert der thermoelektrischen Meßzelle (5) bei einem Druck von über 5 hPa kalibriert wird, und daß danach bei der Lecksuche der Unterschied der Druckwerte der beiden Meßzellen als Maß für das Leck ausgewertet wird.