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