DE602004008869T2

DE602004008869T2 - Leckdetektor

Info

Publication number: DE602004008869T2
Application number: DE602004008869T
Authority: DE
Inventors: Sandro Vittozzi
Original assignee: Varian SpA
Current assignee: Varian SpA
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2024-01-14
Also published as: US7062954B2; DE602004008869D1; US20050150274A1; EP1555520B1; EP1555520A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leckdetektor.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen derartigen Leckdetektor, der ein Material verwendet, das bei Erhitzung für ein Testgas selektiv permeabel ist.
Detektoren des obigen Typs weisen generell eine mit einer Vakuumpumpe verbundene Hochvakuumkammer auf, um die Kammer auf einen Druck zu bringen, der merklich geringer als der Umgebungsdruck ist. Zumindest ein Teil der Kammer ist von der Außenumgebung getrennt durch eine Wand oder Membran aus einem für das Testgas selektiv permeablem Material, wie beispielsweise Quarz oder Glas mit einem hohen Siliziumgehalt (> 80%).
Die Membran kann aus einem Kapillarrohr oder einem Planaren oder gebogenen Fenster bestehen.
Ein bei der Membran angeordneter und mit einer elektrischen Stromversorgung verbundener elektrischer Widerstand ermöglicht, die Oberfläche der Membran auf eine Temperatur von mindestens 300°C zu bringen, bei der das Glas mit dem hohen Siliziumgehalt nur für Helium permeabel ist.
Eine elektronische Steuereinheit der Vakuumpumpe ist dazu ausgelegt, Abweichungen im durch die Pumpe aufgenommenen Strom zu erfassen und somit die Testgasdiffusion in die Kammer und folglich die Existenz eines Lecks zu signalisieren.
Ein derartiger Detektor ist beispielsweise in dem auf den Anmelder laufenden Patent EP 352 371 offenbart.
Gemäß dem Stand der Technik, weist der Leckdetektor ferner auf: eine Probenleitung für die Aufnahme von Gas, das aus einer Sonde oder einem Leckschnüffler kommt und das so ausgerichtet ist, dass es die für das Testgas selektiv permeable Membran überstreicht; und eine Auslassleitung, durch die das Gas, das die Membran überstrichen hat, nach außen ausgelassen wird. Die Probenleitung weist auch eine Saugpumpe auf, um eine größere Gasmenge durch die Sonde zu saugen. Die Pumpe ist im Allgemeinen zwischen der Sonde und der Membran angeordnet.
Leckdetektoren werden im Allgemeinen verwendet, um die Dichtigkeit von Gefäßen, Behältern, Verpackungen etc. – oft in einer schnellen Abfolge – zu prüfen, wie beispielsweise während industrieller Produktions- und Verpackungsprozesse.
Somit muss der Detektor sofort nach der Erfassung eines Lecks den anfänglichen Betriebszustand schnell wiedererlangen, um für eine weitere Messung bereit zu sein.
Eines der bei der Herstellung von Leckdetektoren zu lösenden Probleme ist daher, wie man die Zufuhr- und Auslassleitungen schnell spült, um jegliches Restgas, das eventuell im Detektor vorhanden ist, zu entfernen, bevor man einen weiteren Test startet.
Ein bekanntes Verfahren zum Spülen eines Detektors besteht darin, reine Luft, d.h. ohne Testgas, durch den Detektor zu schicken. Ein derartiger Zustand kann beispielsweise erreicht werden, indem der Detektor oder die Sonde oder der Leckschnüffler aus der Testzone in eine neutrale Zone bewegt wird, wo reine Luft vorhanden ist.
Dieses Verfahren jedoch ist komplex und äußerst zeitaufwendig; darüber hinaus kann es nur auf tragbare Leckdetektoren angewandt werden, wohingegen es nicht im Fall von Detektoren verwendet werden kann, die fest entlang einer Arbeitslinie angeordnet sind.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorstehenden Nachteil zu beseitigen durch Vorsehen eines Leckdetektors des vorstehenden Typs, der ein schnelles Spülen der Proben- und Auslassleitung ermöglicht.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Leckdetektoren ist das Sättigungsrisiko aufgrund sehr hoher Testgaskonzentrationen in der Kammer. Tatsächlich dauert es lange, eine übermäßige Menge an Testgas in der Kammer mittels Vakuumpumpe abzusaugen, und verzögert somit das Rücksetzen des Betriebszustandes, um einen weiteren Test zu starten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leckdetektor mit einem Spülsystem vorzusehen, das ermöglicht, übermäßige Testgaskonzentrationen im Detektor zu vermeiden.
Die vorstehenden und weiteren Aufgaben werden durch einen Leckdetektor gemäß den beigefügten Ansprüchen erfüllt.
Dank dem Vorliegen eines Systems zum Schalten zwischen Gaseinlass und -auslass, ist es vorteilhafterweise möglich, jegliche Spur von Testgas schnell aus der Proben- und Auslassleitung und insbesondere aus dem Bereich nahe der für das Testgas selektiv permeablen Membran zu entfernen.
Das Schalten zwischen Gaseinlass und -auslass kann vorteilhafterweise durch ein Vier-Wege-Ventil, vorzugsweise ein elektrisches Ventil, durchgeführt werden. Alternativ können mehrere Ventile und geeignete Verbindungskanäle vorgesehen sein.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine am Detektor befestigte Steuereinrichtung automatisch das (die) Ventil(e) betätigen, um übermäßige Testgaskonzentrationen im Detektor zu vermeiden.
Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, das durch ein nicht beschränkendes Beispiel gegeben ist, wird nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1a eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Leckdetektors im Messmodus ist;
1b eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Leckdetektors im Spülmodus ist.
Nimmt man Bezug auf 1a und 1b, so weist der erfindungsgemäße Detektor 1 eine Kammer 3 auf, die durch ein Hochvakuumkapillarrohr 7 begrenzt ist, vorzugsweise aus Glas mit hohem Siliziumgehalt hergestellt ist und an ihrem unteren Ende mit der Saugöffnung einer Vakuumpumpe 5, z.B. einer Innenpumpe, verbunden ist.
Das Kapillarrohr 7 ist innerhalb einer Schutzglocke 8 angeordnet, die beispielsweise ein Paar koaxialer Rohre aus Edelstahl und Glas und die eine radiale Einlassöffnung an ihrem unteren Ende und eine axiale Auslassöffnung an ihrem oberen Ende aufweist. Natürlich sind verschiedene Anordnungen für die Einlass- und/oder Auslassöffnungen möglich: beispielsweise können beide Öffnungen radiale oder axiale Öffnungen sein, oder ihre Positionen können umgekehrt werden, so dass in 1a und 1b Gas vom oberen Ende eintritt.
Die Einlassöffnung der Glocke 8 nimmt die Probenleitung 11a auf, die bei einer Sonde oder einem Leckschnüffler 15 beginnt, die oder der nahe der Zone angeordnet ist, wo der Test ausgeführt werden soll.
Eine durch eine elektronische Steuereinheit 14 angetriebene Pumpe 13 ist ferner zwischen der Sonde 15 und Glocke 8 vorgesehen, um Gas durch die Sonde 15 zu saugen und es in die Glocke 8 auszulassen, wo es die Wand der Kapillarrohrmembran 7 überstreicht.
Die Auslassöffnung der Glocke 8 ist mit der Auslassleitung 11b verbunden, die bei einer Öffnung 19 für den Gasauslass in Richtung Außenumgebung endet.
Ein elektrischer Widerstand 9, der mit der elektronischen Steuereinheit 14, von der er betrieben wird, verbunden ist, ist um das Kapillarrohr 7 gewunden.
Dank dem Widerstand 9 kann die Kapillarrohrtemperatur bis zu einem Bereich von 300°C bis 900°C erhöht werden, bei dem das Glas mit hohem Siliziumgehalt für Helium permeabel ist.
Das Vorhandensein von Testgas in der Kammer 3, und somit von Lecks, wird erfasst durch das Messen von Abweichungen des Stroms, der durch die Pumpe 5 aufgenommen wird, die mit der elektronischen Steuereinheit 14 verbunden ist.
Erfindungsgemäß weist der Detektor 1 vorteilhafterweise ein System zum Schalten zwischen Lufteinlass und -auslass auf. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist das System ein einzelnes Vier-Wege-Ventil 17 auf, das entlang der Probenleitung 11a und der Auslassleitung 11b angeordnet ist.
Dank des Vier-Wege-Ventils 17, und wie aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden wird, kann die Pumpe 13 Luft durch die Sonde 15 saugen und sie durch die Öffnung 19 (Arbeitsbetriebszustand) auslassen, oder sie kann Luft durch die Öffnung 19 saugen und sie durch die Sonde 15 (Spülbetriebszustand) auslassen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Vier-Wege-Ventil 17, vorzugsweise ein elektrisches Ventil, entlang der Probenleitung 11a und Auslassleitung 11b angeordnet, und ist so positioniert, dass ein erstes Öffnungspaar 17a, 17b des Ventils an der Probenleitung 11a zwischen der Sonde 15 und der Glocke 8 und vorzugsweise der Probenpumpe 13 vorgeschaltet angeordnet ist, und ein zweites Öffnungspaar 17c, 17d des Ventils an der Auslassleitung 11b zwischen der Glocke 8 und der Auslassöffnung 19 angeordnet ist.
Nimmt man insbesondere Bezug auf 1a, so ist der erfindungsgemäße Detektor 1 während des Normalbetriebs, d.h. im Testmodus, gezeigt.
Während des Normalbetriebs wird eventuell mit Testgas beladene Luft mittels der Pumpe 13 durch die Sonde 15 gesaugt und strömt durch das Ventil 17, indem sie durch eine erste Öffnung 17a eintritt und durch eine zweite Öffnung 17b ausströmt, wie durch den Pfeil F_ab gezeigt. Nachdem der Luft- und eventuell Testgasstrom durch die Glocke 8 geströmt ist und das Kapillarrohr 7 überstrichen hat, strömt er wiederum durch das Ventil 17, indem er durch eine dritte Öffnung 17c eintritt und durch eine vierte Öffnung 17d ausströmt, wie durch den Pfeil F_cd gezeigt.
Wendet man sich nun 1b zu, so ist der erfindungsgemäße Detektor 1 umgekehrt im Proben- und Auslassleitungsspülmodus gezeigt.
Zum Spülen wird das Ventil 17 betätigt, um eine Verbindung zwischen der Öffnung 17a und 17c bzw. 17d und 17b herzustellen.
Auf diese Weise wird das Saugen von reiner Luft durch die Auslassöffnung 19 und das Absaugen durch die Sonde 15 ermöglicht. Der reine Luftstrom strömt durch das Ventil 17, indem er durch die vierte Öffnung 17d eintritt und durch die zweite Öffnung 17b ausströmt, wie durch den Pfeil F_db gezeigt. Nachdem die Luft durch die Glocke 8 geströmt ist und das Kapillarrohr 7 überstrichen hat, strömt sie nun mit Testgasresten beladen wieder durch das Ventil 17, indem sie durch die dritte Öffnung 17c eintritt und durch die erste Öffnung 17a austritt, wie durch den Pfeil F_ca gezeigt. Auf diese Weise spült der reine Luftstrom Testgasreste aus der gesamten Proben- und Auslassleitung 11a, 11b aus, und insbesondere aus der Glocke 8, die das Kapillarrohr 7 enthält.
Durch einen Vergleich von 1a und 1b kann man verstehen, dass bei beiden Betriebsmodi der Luftstrom vorteilhafterweise durch die Probenpumpe 13 und Glocke 8 in die durch den Pfeil F_s gezeigte, gleiche Richtung strömt; vorteilhafterweise ermöglicht eine derartige Anordnung, auf die Verwendung einer reversiblen Probenpumpe 13 zu verzichten.
Das Ventil 17 kann durch einen Benutzer manuell betätigt werden, beispielsweise am Ende von jedem Messzyklus.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch kann das Ventil 17 durch eine Versorgungs- und Steuereinheit 14 automatisch betätigt werden, beispielsweise um übermäßige Testgaskonzentrationen im Detektor zu vermeiden, was zu einer schnellen Sättigung der Kammer 3 innerhalb des Kapillarrohres 7 führen würde.
Zu diesem Zweck verfügt die Einheit 14 über das Schalten zwischen Lufteinlass und -auslass, wenn ein Grenzwert überschritten wird, der sich auf die Testgaskonzentration bezieht, vorzugsweise auf deren zeitliche Ableitung, und somit repräsentativ für die Rate ist, mit der die Testgaskonzentration ansteigt.
Um den Detektor zu stabilisieren und um eine mehrfache Betätigung des Ventils 17 in schneller Abfolge zu vermeiden, wenn ein schnelle Abfolge von geringen Abweichungen in der Testgaskonzentration auftritt, könnten das Starten des Spülzyklus und die darauffolgende Rücksetzung auf den Normalbetriebszustand mit einem Hysteresezyklus erfolgen. In einem derartigen Fall werden zwei Grenzwerte V₁ > V₂ festgelegt, so dass der Spülzyklus gestartet wird, wenn die Anstiegsrate der Testgaskonzentration den Wert V₁ überschreitet, wohingegen der Testzyklus wieder gestartet wird, wenn die Rate unter den Wert V₂ fällt.
Alternativ oder zusätzlich zur oben beschriebenen Steuerlogik könnte die Versorgungs- und Steuereinheit 14 das Ventil gemäß einem vorgegebenen Zeitgesetz intermittierend betätigen.
Beispielsweise könnte die Einheit 14 das Ventil 17 steuern, um Intervalle T_P, in denen der Detektor normalerweise durch Ansaugen von Luft durch die Sonde 15 betrieben wird (Testzyklus), mit Intervallen T_L abzuwechseln, in denen der Detektor gemäß dem Spülzyklus durch Ansaugen von reiner Luft durch die Auslassöffnung 19 betrieben wird.
Ferner, gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung, könnte das Intervall T_P zwangsweise erweitert werden, sobald die Steuereinheit 14 einen Gaskonzentrationsanstieg in der Kammer 3 erfasst, wodurch ein genaues Signalisieren des Lecks ermöglicht wird. Auf ähnliche Weise könnte das Intervall T_P im Fall von übermäßiger Testgaskonzentration im Detektor zwangsweise verkürzt werden, um eine Sättigung des Kapillarrohres 7 zu vermeiden.
Erfindungsgemäß geht sowohl die manuelle als auch die automatische Spülzyklusbetätigung vorzugsweise mit einem Abschalten der Heizmittel 9 einher. Somit ist das Kapillarrohr 7 für Helium undurchlässig und der von der Auslassöffnung 19 kommende, reine Luftstrom kann Testgasspuren schnell, ohne weitere Permeation von Testgas in die Kammer 3, entfernen. Sobald die Proben- und Auslassleitungen 11a, 11b und die Glocke 8 gespült wurden, können Testgasreste, die in der Wand des Kapillarrohres 7 gefangen wurden, durch die Pumpe 5 abgesaugt werden, nachdem die Heizmittel 9 wieder angeschaltet wurden.
Alternativ, selbst ohne auf ein komplettes Spülen der Proben- und Auslassleitung zu warten, könnten während des Spülzyklus die Heizmittel 9 wieder angeschaltet werden und eventuell auf höhere Temperaturen als während des Normalbetriebs gebracht werden, so dass von der Auslassöffnung kommende, reine Luft auch zum Spülen der Kapillarrohrwände beiträgt.
Es ist klar, dass die vorstehende Beschreibung nur als ein nicht beschränkendes Beispiel dargestellt wurde und dass Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne vom Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen, insbesondere in Bezug auf Mittel, die angewandt werden, um das Schalten zwischen Lufteinlass und -auslass auszuführen.

Claims

Leckdetektor, der aufweist: eine mit einer Vakuumpumpe (5) verbundene Hochvakuumkammer (3), um die Kammer (3) auf einen Druck zu bringen, der merklich geringer ist als der Umgebungsdruck, wobei zumindest ein Teil der Kammer (3) von der Außenumgebung durch eine Wand oder Membran (7) aus einem für ein Testgas wahlweise permeablem Material getrennt ist, wobei der Membran (7) ein Heizmittel (9) zugeordnet ist, um die Membran (7) auf eine ausreichende Temperatur zu bringen, um sie für das Testgas permeabel zu machen; eine elektronische Steuereinheit (14) der Vakuumpumpe, die dazu ausgelegt ist, Abweichungen im durch die Pumpe aufgenommenen Strom zu erfassen und somit die Testgasdiffusion in die Kammer (3) und folglich die Existenz eines Lecks zu signalisieren; eine mit einer Sonde oder einem Leckschnüffler (15) verbundene Gasprobenleitung (11a) für die Aufnahme von Gas, das ausgerichtet ist, die für das Testgas wahlweise permeable Membran zu überstreichen; und eine Auslassleitung (11b), durch die das Gas, das die Membran überstrichen hat, durch eine Auslassöffnung (19) nach außen gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein System zum Schalten zwischen dem Gaseinlass und -auslass aufweist, um das Testgas schnell vom Detektor zu entfernen.
Detektor nach Anspruch 1, wobei das System ein Vier-Wege-Ventil (17) aufweist, das entlang der Proben- und Auslassleitungen angeordnet ist und dem Detektor ermöglicht, aus einem Arbeitsbetriebszustand, bei dem Luft durch die Sonde (15) gesaugt und durch die Auslassöffnung (19) abgelassen wird, zu einem Waschbetriebszustand zu gelangen, bei dem Luft durch die Auslassöffnung (19) gesaugt und durch die Sonde (15) abgelassen wird, und umgekehrt.
Detektor nach Anspruch 2, wobei das Vier-Wege-Ventil (17) so angeordnet ist, dass ein erstes Öffnungspaar (17a, 17b) des Ventils an der Probenleitung (11a) zwischen der Sonde (15) und der Membran (7) angeordnet ist, und ein zweites Öffnungspaar (17c, 17d) des Ventils an der Auslassleitung zwischen der Membran (7) und der Auslassöffnung (19) angeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 2 oder 3, wobei, während des Normalbetriebs, eventuell mit Testgas beladene Luft durch die Sonde (15) gesaugt wird und durch das Ventil (17) strömt, und dabei durch eine erste Öffnung (17a) eintritt und durch eine zweite Öffnung (17b) ausströmt, und nachdem die Membran (7) überstrichen wurde, die Luft wiederum durch das Ventil (17) strömt und dabei durch eine dritte Öffnung (17c) eintritt und durch eine vierte Öffnung (17d) ausströmt.
Detektor nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei während des Waschzyklus Luft ohne Testgas durch die Auslassöffnung (19) gesaugt wird und durch das Ventil (17) strömt, und dabei durch eine vierte Öffnung (17d) eintritt und durch eine zweite Öffnung (17b) ausströmt, und nachdem die Membran (7) überstrichen wurde, die Luft wiederum durch das Ventil (17) strömt, und dabei durch eine dritte Öffnung (17c) eintritt und durch eine erste Öffnung (17a) ausströmt.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Probenpumpe (13) in der Probenleitung vorgesehen ist.
Detektor nach Anspruch 6, wobei die Probenpumpe (13) eine nicht-reversierende Pumpe ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Ventil (17) ein elektrisches Ventil ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Ventil (17) manuell durch einen Operator betrieben wird.
Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Ventil (17) automatisch durch die Zufuhr- und Steuereinheit (14) gesteuert wird, in Abhängigkeit von einem oder mehreren Steuerparametern, die aus den Betriebsparametern des Detektors ausgewählt sind.
Detektor nach Anspruch 10, wobei einer der Steuerparameter proportional zur Testgaskonzentration in der Kammer (3) ist.
Detektor nach Anspruch 10, wobei einer der Steuerparameter die Zuwachsrate der Konzentration des Testgases in der Kammer (3) ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Ventil (17) automatisch durch die Einheit (14) betätigt wird, um Testzyklen entsprechende Intervalle (T_P), in denen der Detektor normal durch Einsaugen von Luft durch die Sonde (15) arbeitet, abzuwechseln mit Waschzyklen entsprechenden Intervallen (T_L), in denen der Detektor gemäß dem Waschzyklus durch Ansaugen von reiner Luft durch die Auslassöffnung (19) arbeitet.