DE19735250A1 - Verfahren zum Betrieb eines Heliumlecksuchers und für die Durchführung dieses Verfahrens geeigneter Heliumlecksucher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Heliumlecksuchers mit den Merkmalen des Oberbe­ griffes des Patentanspruchs 1. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf einen für die Durchführung dieses Verfah­ rens geeigneten Heliumlecksucher.

Bei der Heliumlecksuche kann durch eine Verringerung des Saugvermögens der Vakuumpumpen die Nachweisgrenze ver­ bessert werden. Zur Reduzierung des Saugvermögens ist es bekannt, zuschaltbare Drosseln zu verwenden oder die Vorvakuumpumpe abzukoppeln. In beiden Fällen wird das Saugvermögen stufenweise verringert bzw. die Empfind­ lichkeitszunahme stufenweise erhöht. Erkauft wird eine solche Empfindlichkeitszunahme mit längeren Meßzeiten, da diese mit einer Verringerung des Saugvermögens der Vakuumpumpen zunehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Betrieb eines Heliumlecksuchers der hier betroffenen Art die Einflußnahme auf das Saug­ vermögen und damit auf die Nachweisgrenze der Leckmes­ sungen zu vereinfachen, um Messungen mit hoher Empfind­ lichkeit in optimal kurzer Zeit durchführen zu können. Außerdem soll eine stufenlose Veränderung der Nachweis­ grenze ermöglicht werden.

Erfindungsgemäß werden diese Ziele mit Hilfe der kenn­ zeichnenden Merkmale der Patentansprüche erreicht.

Die Erfindung erlaubt es, mit Hilfe einer Veränderung der Modulationseigenschaften des auf das Vorhandensein von Testgas zu untersuchenden Gasstromes Einfluß auf das effektive Saugvermögen der Vakuumpumpen und damit auf die Empfindlichkeit der Lecksuche zu nehmen. Dem An­ wender ist es dadurch möglich, die Nachweisgrenze an die jeweils gewünschte Applikation anzupassen, indem er be­ stimmte Modulationseigenschaften einstellt. Diese Anpas­ sung erlaubt es, jeweils mit optimal kurzen Meßzeiten zu arbeiten. Da die Beeinflussung des Saugvermögens ent­ sprechend der Erfindung mit Hilfe des modulierbaren Ein­ laßventiles erfolgt, sind besondere Maßnahmen zur Ver­ änderung des Saugvermögens an den Vakuumpumpen selbst nicht mehr erforderlich.

Ein zweckmäßiges, durch die Erfindung möglich gewordenes Betriebsverfahren besteht darin, daß die Nachweisgrenze während eines Leckmeßvorganges automatisch bis zu einer unteren Grenze verändert werden kann. Als Stellgröße kann das vom Massenspektrometer gelieferte Signal ver­ wendet werden, dessen Größe bei noch nicht registriertem Leck vom Heliumuntergrund im zu untersuchenden Gasstrom abhängt und mit zunehmender Meßzeit kleiner wird. So­ lange eine vorgegebene Signalgröße nicht unterschritten wird, werden die Modulationseigenschaften nicht verän­ dert und ein relativ hohes Saugvermögen beibehalten. Un­ terschreitet die Signalgröße eine vorgegebene Grenze, wird durch Veränderung der Modulationseigenschaften das Saugvermögen reduziert und damit die Empfindlichkeit er­ höht. Jede in dieser Weise durchgeführte Leckfeststel­ lung und -messung kann deshalb innerhalb einer optimal kurzen Meßzeit durchgeführt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen Hand der Fig. 1 bis 4 erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele für Heliumlecksucher nach der Erfindung und

Fig. 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung von Modulationseigenschaften.

Beim Heliumlecksucher 1 nach Fig. 1 sind der Einlaß mit 2, die sich an den Einlaß 2 anschließende Leitung mit 3 und der als Massenspektrometer ausgebildete Test­ gasdetektor mit 4 bezeichnet. An den Einlaß des Massen­ spektrometers 4 ist über die Leitung 5 die Hochvakuum­ pumpe 6 (vorzugsweise eine Turbomolekularvakuumpumpe) angeschlossen. An den auslaß der Hochvakuumpumpe 6 schließt sich die Leitung 7 mit dem Ventil 8 an, welche mit dem Einlaß der Vorvakuumpumpe 9 in Verbindung steht. An die Leitung 3 sind die Leitungsabschnitte 11, 12 mit den Ventilen 13, 14 angeschlossen. Über die Lei­ tungen 11, 12 gelangt das in den Einlaß 2 eintretende Gas entweder unmittelbar (Leitung 11) oder mittelbar (Leitung 12) in das Massenspektrometer 4. Die Auswahl des Gasweges erfolgt mit Hilfe der Ventile 13, 14. Sind die Ventile 8 und 13 geschlossen, kann bei offenem Ven­ til 14 die Vorvakuumpumpe 9 der Evakuierung des Prüf­ lings oder der Prüfkammer (nicht dargestellt) dienen, welche vor dem Beginn der Lecksuche mit dem Einlaß 2 verbunden werden.

Um den erfindungsgemäßen Betrieb des Heliumlecksuchers 1 ermöglichen, befindet sich in der Leitung 3 ein Bau­ teil (Ventil 16), das eine Modulation des hindurchtre­ tenden Gasstromes ermöglicht. Der Öffnungsquerschnitt bzw. Leitwert des Ventils 16 ist veränderbar. Einzelhei­ ten über Modulationen dieser Art sind an sich bekannt aus der DE-A-44 08 877.

Zur Betätigung des Ventils 16, das vorzugsweise ein elektrisch aussteuerbares Proportionalventil ist, ist ein Steuergerät 21 vorgesehen. Bestandteil dieses Steu­ ergerätes ist ein Impulsgenerator. Entsprechend der ge­ wählten Pulsform verändert sich der Leitwert des Ventils 16. Die Form der Impulse ist derart einstellbar, daß zum einen die gewünschte Modulation des durch das Ventil hindurchtretenden Gasstromes und zum anderen Einfluß auf die mittlere Öffnungszeit bzw. auf den mittleren Leitwert des Ventiles 16 genommen werden kann. An Hand der Fig. 3 bis 4 werden Ausführungsbeispiele dafür erläutert.

Das vom Steuergerät 21 abgegebene Signal wird außerdem einem Verstärker 23 als Referenzsignal zugeführt. Der Verstärker 23 dient der Verarbeitung der vom Massenspek­ trometer gelieferten Signale. Nach einer Verstärkung und phasenempfindlichen Gleichrichtung entsprechend dem LOCK-IN-Prinzip erfolgt die Signalanzeige. Als Signalan­ zeige ist der Block 24 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht im we­ sentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Unter­ schiede bzw. Ergänzungen sind:

• - Die Hochvakuumpumpe 6 ist eine zweitstufige Rei­ bungsvakuumpumpe mit einer hochvakuumseitig ange­ ordneten Turbomolekularpumpenstufe 6' und einer vorvakuumseitig angeordneten Spiralpumpenstufe 6''.
• - Zwischen den genannten Pumpenstufen befindet sich Zwischenanschluß 31, an den die Leitung 11 an­ geschlossen ist.
• - An Stelle des Ventils 13 ist in der Leitung 11 das Ventil 16 angeordnet.
• - Die Vorvakuumpumpe 9 ist eine Membranvakuumpumpe.
• - Zur Ansteuerung des Ventils 16 während des Abpump­ vorgangs und mittelbaren Überwachung des Drucks Massenspektrometer 4 ist ein Druckmeßgerät 32 vorgesehen, dessen Signale dem Steuergerät 21 zuge­ führt werden.
• - Zur Überwachung des Druckes im Bereich des Einlas­ ses 2 des Heliumlecksuchers 1 ist ein weiteres Druckmeßgerät 33 vorgesehen, dessen Signale eben­ falls dem Steuergerät 21 zugeführt werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Möglichkeiten für die Wahl von Modulationen mit solchen Eigenschaften, daß mit ih­ nen Einfluß auf den mittleren Leitwert des Ventiles 16 genommen werden kann. In jeder der Fig. 3a bis 3c und 4a bis 4c sind zwei horizontale Linien eingezeichnet, die dem Ventilzustand "auf" (Linie 35) und "zu" (Linie 36) entsprechen.

Bei der Modulation nach den Fig. 3a bis 3c liefert der Impulsgenerator ein periodisch sich veränderndes Si­ gnal mit gleichbleibender Frequenz und gleichbleibender Amplitude. Die Amplitude entspricht etwa dem halben Ab­ stand der Linien 35, 36. Die Lage der in ihrer Form identischen Kurven 37 ist in den Fig. 3a bis 3c un­ terschiedlich. Bei Modulationseigenschaften entsprechend Fig. 3a ändert sich der Öffnungsquerschnitt des Venti­ les 16 periodisch zwischen halb offen und völlig offen. Bei Modulationseigenschaften gemäß Fig. 3c ändert sich der Öffnungsquerschnitt periodisch zwischen geschlossen und halb offen. Bei Modulationseigenschaften gemäß Fig. 3b ändert sich der Öffnungsquerschnitt des Ventils 16 periodisch zwischen etwa ein viertel offen und drei viertel offen. Es ist ersichtlich, daß bei den in den Fig. 3a und 3c dargestellten Zuständen der mittlere (zeitlich gemittelte) Öffnungsquerschnitt des Ventils 16 unterschiedlich ist. Bei der Modulation der Fig. 3a ist der mittlere Öffnungsquerschnitt und damit das effektive Saugvermögen der Vakuumpumpe (n) relativ groß. Daraus ergibt sich eine relativ geringe Empfindlichkeit der Lecksuche. Durch Veränderung der Modulationseigenschaf­ ten entsprechend der Fig. 3b (mittleres Saugvermögen) und 3c (geringes Saugvermögen) wird die Empfindlichkeit der Lecksuche gesteigert.

Bei Modulationseigenschaften entsprechend den in den Fig. 4a bis 4c dargestellten Kurven 38, 39, 40 ändert sich der Öffnungsquerschnitt des Ventils 16 laufend zwi­ schen offen und geschlossen. Bei der Modulation nach Fig. 4b ist die Modulation periodisch, so daß sich ein mittleres Saugvermögen und damit eine mittlere Empfind­ lichkeit ergibt. Bei der Modulation nach Fig. 4a haben die in Richtung "auf" gerichteten Schwingungen eine größere zeitliche Dauer als die in Richtung "zu" gerich­ teten Schwingungen. Die mittlere Öffnungszeit des Ven­ tils 16 und damit das Saugvermögen sind relativ groß, die Empfindlichkeit gering. Bei der Modulation nach Fig. 4c ist das Zeitverhalten umgekehrt, das heißt, die mittlere Öffnungszeit und damit das Saugvermögen sind relativ klein, die Empfindlichkeit der mit diesen Modu­ lationseigenschaften durchgeführten Lecksuche ist hoch.

Die Fig. 3 und 4 zeigen nur zwei von vielen Pulsfor­ men, mit denen die gewünschten Ziele erreicht werden können. Wesentlich ist, daß die Modulationseigenschaf­ ten mit Hilfe elektronischer Mittel so gewählt werden können, daß zum einen sowohl die gewünschte Modulation des einströmenden, auf Testgas zu untersuchenden Gas­ stromes erreicht wird und zum anderen der mittlere Öff­ nungsquerschnitt des Ventils 16 stufenlos oder in Stufen (und damit das am Einlaß wirksame Saugvermögen der Va­ kuumpumpen) einstellbar ist. Um einen Heliumlecksucher der erfindungsgemäßen Art betreiben zu können, wird eine Kalibrierkurve ermittelt. Sie gibt die relative Empfind­ lichkeit in Abhängigkeit vom effektiven Saugvermögen an. Die Kalibrierkurve wird zur Bildung eines korrekten Meßsignals herangezogen. Dieses ist notwendig, da sich bei einer bestimmten Leckrate verschiedene, von den Mo­ dulationseigenschaften abhängige Meßwerte ergeben.

Zur Durchführung eines Lecksuchverfahrens mit einem He­ liumlecksucher nach Fig. 1 wird zunächst der auf Lecks zu untersuchende Prüfling an den Einlaß 2 angeschlossen und bei offenen Ventilen 14 und 16 sowie geschlossenen Ventilen 8, 13 mit Hilfe der Vorvakuumpumpe 9 evakuiert. In bekannter Weise kann sich daran zunächst eine Grob­ lecksuche anschließen, die möglich wird, wenn der Druck einen solchen Wert erreicht hat, daß das Ventil 8 ge­ öffnet werden kann. Ist der Prüfling nicht grob leck, werden das Ventil 14 geschlossen, das Ventil 13 geöffnet und der einströmende Gasstrom mit Hilfe des Ventils 16 moduliert. Die Modulationseigenschaften werden entweder einmalig so gewählt, daß sie einer gewünschten Empfind­ lichkeit entsprechen. Unmittelbar nach dem Umschalten der Ventile 13 und 14 beginnt dann die Lecksuche mit der vorgegebenen Empfindlichkeit.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Empfind­ lichkeit der Lecksuche mit zunehmender Meßzeit kontinu­ ierlich gesteigert wird. Das geschieht dadurch, daß die Modulationseigenschaften zunächst so gewählt werden, daß mit großem Saugvermögen und geringer Empfindlich­ keit gearbeitet wird. Danach werden die Modulationsei­ genschaften, z. B. stufenlos, derart verändert, daß von relativ großen Saugvermögen mit geringer Empfind­ lichkeit zu geringem Saugvermögen mit hoher Empfindlich­ keit übergegangen wird. Wird zu irgendeinem Zeitpunkt zwischen Groblecksuche, Feinlecksuche mit geringer Emp­ findlichkeit und Feinlecksuche mit hoher Empfindlichkeit Testgas registriert, ist der Prüfling leck. Der Lecksuchvorgang wird unterbrochen. Die Leckfindung hat in optimal kurzer Meßzeit stattgefunden.

Für den Fall, daß der durch das Ventil 16 hindurchtre­ tende Gasstrom einen Heliumuntergrund hat, kann als Stellgröße für eine stufenlose Veränderung der Modulati­ onseigenschaften das vom Massenspektrometer 4 abgegebene Signal herangezogen werden. Bei einem dichten Prüfling entsprechen die vom Massenspektrometer 4 abgegebenen Signale dem im zu untersuchenden Gasstrom enthaltenen Heliumuntergrund. Mit zunehmender Meßzeit nimmt die Größe der Signale ab. Solange eine vorgebene Signalgröße noch nicht unterschritten wird, werden die Modulati­ onseigenschaften nicht verändert, so daß ein anfänglich hohes effektive Saugvermögen beibehalten wird. Erst wenn die Signalgröße einen vorgegebenen Wert unterschreitet, werden die Modulationseigenschaften derart verändert, daß das effektive Saugvermögen ab- und damit die Emp­ findlichkeit zunimmt. Bei dichtem Prüfling wird die Lecksuche nach dem Erreichen der gewünschten Empfind­ lichkeit beendet. Wird im Laufe des Lecksuchverfahrens festgestellt, daß der Prüfling leck ist, erfolgt diese Leckfindung stets innerhalb optimal kurzer Zeit.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 befindet sich das Ventil 16 in der Leitung 11, die mit dem Zwischenan­ schluß 16 verbunden ist. Diese Anordnung erlaubt ein frühes gedrosseltes Öffnen des Ventils 16, um mit Hilfe der Spiralpumpe 6'' das bei Enddruck relativ schlechte Saugvermögen der Membranpumpe 9 zu unterstützen. Außer­ dem ist die Leitung 3 frei vom Ventil 16, so daß es die Evakuierung des Prüflings über die Leitung 3 vor dem Be­ ginn der Lecksuche nicht behindert.

An die Leitung 7 ist ein Druckmeßgerät 32 angeschlos­ sen. Es liefert seine Meßsignale an das Steuergerät 21, das u. a. das Ventil 16 steuert. Es kann dadurch ein zu frühes oder zu weites Öffnen des Ventils 16 verhin­ dert werden, was einen den Betriebsdruck des Massenspek­ trometers übersteigenden Druck zur Folge haben könnte. Ein den gleichen Zweck erfüllendes Druckmeßgerät kann auch am Zwischenanschluß 31 angeschlossen sein.

Der Druck im Bereich des Einlasses 2 des Heliumlecksu­ chers 1 wird ebenfalls vom Steuergerät 21 überwacht. Das dort angeordnete Druckmeßgerät 33 liefert seine Signale das Steuergerät 21. Der Einlaßdruck darf eine be­ stimmte Schwelle nicht überschreiten. Dieses könnte ein­ treten, wenn das Saugvermögen mit Hilfe des Ventiles 16 zwecks Erhöhung der Empfindlichkeit zu schnell reduziert wird.

Claims (15)

1. Verfahren zum Betrieb eines Heliumlecksuchers (1) mit einem Heliumdetektor (4), mit Evakuierungsein­ richtungen, die mindestens eine Hochvakuumpumpe (6) und eine Vorvakuumpumpe (9) umfassen, sowie mit ei­ nem Ventil (16), dessen Leitwert einstellbar ist und das der Modulation des hindurchtretenden, auf Testgas zu untersuchenden Gasstromes dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseigenschaften veränderbar sind, und zwar derart, daß mit einer Veränderung der Modulationseigenschaften das effek­ tive Saugvermögen am Einlaß des Lecksuchers verän­ dert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Empfindlichkeit vor der Durch­ führung der Lecksuche an einem oder mehreren iden­ tischen Prüflingen durch die Wahl bestimmter Modu­ lationseigenschaften eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lecksuche an einem Prüfling mit zunehmen­ der Empfindlichkeit durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Empfindlichkeit automatisch verän­ dert.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Stellgröße für die Veränderung der Modulationseigenschaften das vom Massenspektro­ meter gelieferte Signal verwendet wird, dessen Größe bei noch nicht registriertem Leck vom Heliu­ muntergrund im zu untersuchenden Gasstrom abhängt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß anfänglich mit relativ geringer Empfindlich­ keit gearbeitet wird, daß die die Empfindlichkeit bestimmenden Modulationseigenschaften solange nicht verändert werden, bis das vom Massenspektrometer gelieferte, mit zunehmender Meßzeit bezüglich sei­ ner Größe abnehmende Signal eine vorgegebene Signalgröße erreicht, und daß mit dem Unterschrei­ ten der vorgegebenen Signalgröße die Modulationsei­ genschaften derart verändert werden, daß die Emp­ findlichkeit zunimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseigenschaften so verändert wer­ den, daß die vorgegebene Signalgröße konstant bleibt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Durchfüh­ rung der Lecksuche der Druck im Massenspektrometer (4) mittelbar überwacht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Durchfüh­ rung der Lecksuche der Druck im Bereich des Einlas­ ses (2) des Heliumlecksuchers (1) überwacht wird.

10. Heliumlecksucher (1) zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 mit einem He­ liumdetektor (4), mit Evakuierungseinrichtungen, die mindestens eine Hochvakuumpumpe (6) und eine Vorvakuumpumpe (9) umfassen, sowie mit einem Ven­ til, dessen Leitwert einstellbar ist und das der Modulation des hindurchtretenden, auf Testgas zu untersuchenden Gasstromes dient, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heliumlecksucher (1) mit Ein­ richtungen (21) ausgerüstet ist, die eine Verände­ rung der Modulationseigenschaften in der Weise er­ lauben, daß sich mit der Veränderung der Modulati­ onseigenschaften das effektive Saugvermögen am Ein­ laß des Lecksuchers verändert.

11. Heliumlecksucher nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Testgasdetektor (4) und das Steuergerät (21) miteinander verbunden sind.

12. Heliumlecksucher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmeßgerät (32) zur mittelbaren Überwachung des Druckes im Testgasde­ tektor (4) vorgesehen ist.

13. Heliumlecksucher nach Anspruch 10, 11 oder 12, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Druckmeßgerät (33) zur Kontrolle des Einlaßdruckes vorhanden ist.

14. Heliumlecksucher nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Turbomoleku­ larvakuumpumpenstufe (6') und eine Spiralpumpen­ stufe (6'') die Hochvakuumpumpe (6) bilden, daß die Vorvakuumpumpe (9) eine Membranvakuumpumpe ist und daß das Ventil (16) an einem Zwischenanschluß (31) zwischen den beiden Hochvakuumstufen (6', 6'') angeschlossen ist.

15. Heliumlecksucher nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (16) ein elektrisch ansteuerbares Proportionalventil ist.