JP2004515777A - 赤外線ガスアナライザーを用いたガスの検出方法並びにこの方法を実施するのに適しているガスアナライザー - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、請求項1および2の上位概念の特徴部分に記載の構成を有する、測定個所に存在しているかもしれないテストガスを検出するための方法並びにこの方法を実施するために適している赤外線ガスアナライザーに関する。
【0002】
この形式の方法および装置はDE−A−19911260(出願2000−605186)から公知である。これらは殊に、スニッファ漏れ検査での使用に適している。いずれのスニッファ漏れ検査でも、有効ガスを含んでいる検査体が、測定ガスをピックアップするスニッファの先端部を用いて走査される。漏れが存在していると、有効ガスは外に出る。これはスニッファの先端部を介してガス検知器に供給される。有効ガスが赤外線活性でなければ、検査体の有効ガスに赤外線活性のテストガスが付加される。この場合、場合により存在している漏れを通って出る測定ガスは有効ガスとテストガスとから成る混合物である。有効ガスが既にそれ自体赤外線活性(例えばハロゲンガス)であるならば、それ自体がテストガス(ないし測定ガス)であってよい、
スニッファ漏れ検査では、スニッファの先端部から場合によっては存在する漏れ(測定個所)から出ているテストガスのみならず、測定個所の周囲から出ているガスも吸い込まれるという問題がある。このガスが、例えば以前に検出された漏れまたは生産ラインの充填ステーションから発生している可能性があるテストガスの濃度を僅かでも含んでいるならば、これらも同様にガス検知器によって検出される。このためにテストバックグラウンドが高い場合には誤測定を来す可能性があり、すなわち気密の検査体がエラーありと「識別」されることになる。
【0003】
この形式の欠点を回避するために、DE−A−19911260号において、測定個所でピックアップされるガスのテストガス濃度を参照ガス(測定個所の周囲でピックアップされるガス)のテストガス濃度と、2つのキュベット、すなわち測定用キュベットおよび参照用キュベットを用いて比較し、これにより障害となる影響を考慮することができることが提案される。1つまたは2つの正確に変調されるIR光源を用いた2つの別個のキュベットの使用は技術的に煩雑であるばかりでなく、それはいくつかの欠点も有している。これらの欠点のうちの1つは、キュベットがその特性を均一に変えないという点にある。キュベットは不均一に汚れる可能性がある。すなわち2つのIR光源を使用する際、これらは異なって老化する可能性がある。確かに従来技術に挙げられる文献に、IR光源を1個だけ使用することも可能であることが提案される。しかしこのためにビーム分割が必要になる。このビーム分割および上記の文献で開示されているビーム統合も(唯一のIR検知器を使用する目的のために)結果的に比較的高い損失を産むことになり(約50%)、これにより殊に、ガスアナライザーの感度が損なわれる。
【0004】
本発明の課題は、この関連形式の方法および装置を簡単化することおよび、殊にその感度に関して改善することである。
【0005】
本発明によればこの課題は、各請求項の特徴部分に記載の構成によって解決される。
【0006】
本発明の方法および装置では、1つのキュベットしか必要でない。全体のビーム路(ランプ−キュベット−検知器)の汚れおよび変化は測定サイクルの期間および参照サイクルの期間均一に作用する。唯一のIR光源は必ずしも変調される必要はなく、変調はガス交換によって実現される。とりわけ、従来技術においては必要である、特別正確な変調は省略され、すなわち比較的緩慢でかつ比較的明るい光源を使用することができ、このことはアナライザーの感度に有利に作用する。ビーム分割およびビーム統合も必要ない。唯一のキュベットは一時的に場合によってはテストガスを含んでいる測定ガスによって充填されかつ一時的に参照ガス(または付加的に参照ガスによって)によって充填される。測定ガス中の、すなわち測定個所におけるテストガスの濃度が参照ガスにおけるテストガスの濃度より高いとき、IR検知器は交番する信号を検出する。これが濃度差に対する尺度である。その際実際に、テストガスバックグラウンドが存在しているか否かは何の役目も果たさない。このことから最終的に、本発明の対象では零ライン(測定ガス=参照ガス)が従来技術の場合より著しく安定しているという利点が生じる。その理由は、測定ガスおよび参照ガスが同一である場合のガス交換は変調成分を発生しないからである。これに対して、従来技術の場合2つの比較的大きな変調された信号が相互に比較され、このことは一般に無視できない障害成分と結び付いている。
【0007】
本発明の枠内で、本発明のIRガスアナライザーの機能性を監視するための手段を設けて、汚れまたは欠陥により生じる誤測定が回避されるようにすると有利である。汚れにより、ガス供給が障害を受けるばかりでない。ガスアナライザーの感度自体も汚れが大きくなるに従って低減される。
【0008】
障害を受けているガス供給を回避するために、ガス供給導管における圧力を流れ監視のための測定量として使用することが提案される。ガスアナライザーの機能の監視それ自体は本発明によれば、IR光源が参照周波数によって変調され、その信号がIR検知器において連続的に監視される(有利には独自のロック・イン評価によって)。
【0009】
更に、IR光源として、テストガスを−少なくとも部分的に−含んでいるガスランプを使用すると特別効果的である。ガスランプは熱電子放出を有するランプに比べて、これらはより明るく(光出力の利用効率の改善)かつより迅速にスイッチング可能である−変調可能である−という一般的な利点を有している。IR検知器は制限されたSN比を有しているので、アナライザーの分解能は光源の輝度とともに高くなる。
【0010】
ガスランプとして閃光ランプ、ガス放電ランプ、グローランプなどを使用することができる。これらは検出されるべきガスによって作動されるので、フィルタを省略することができる。更に、吸収スペクトルの大きな領域を利用することができる。というのは、発生されるスペクトルおよび測定ガスのスペクトルはほぼ一致しているからである。利用される光出力の割合は高く、これによりIR検知器の大幅に改善されるガス選択度が生じる。別の種類のガスへの置き換えは、別の種類のガスを有するガスランプを使用することによって簡単な仕方で行うことができる。
【0011】
本発明の別の利点および詳細を図1ないし図6に示されている実施例に基づいて説明したい。
【0012】
図1ないし図4は、測定ガスおよび参照ガスを唯一のキュベットに供給するための種々の装置を備えている赤外線ガスアナライザーを示している。このことはそれぞれ次の形態において行われる:
−図1によれば弁システムを用いて、
−図2によれば線形に移動するピストンを有する中間室を介して、
−図3によれば回転式振動ピストンを有する中間室を介して、
−図4によれば絞り(測定ガス)および弁(参照ガス)を介して。
【0013】
図5にはスニッファ流監視部を備えた実施例が示されている。
【0014】
図6には、機能性を検査するための手段を備えている実施例が示されている。
【0015】
すべての図において、赤外線ガスアナライザーには共通に1が、そのキュベットには2が、端面に配置されているIR光源には3が、相対向する端面に配置されている赤外線検知器には4が、そこに接続されている電子モジュール(増幅器/フィルタ)には5が、それに接続されている別の、信号処理のために用いられる電子モジュール(ロック・イン増幅器)には6が、指示部には7が示されている。ロック・イン処理は大抵はソフトウェア的にマイクロコントローラで実施される。説明しやすくするためにだけ別個のブロック6が図示されている。キュベット2はそれぞれ端面側に配置されている接続部8および9を備えている。これらを介してずっと後に説明する方法に従って測定ガスおよび参照ガスが供給ないし放出される。
【0016】
キュベット2の端面はそれぞれ鎖線で示されている。これにより、それ自体気密な、キュベットの壁がその端面側の領域で赤外線光に対して透過であるとことを表そうとしている。赤外線光源および赤外線検知器として、DE−A−19911260号に記載されているような装置を使用することができる。
【0017】
すべての実施例においで、本発明の対象の用途としてスニッファ漏れ検査が選択されている。11で漏れについて検査すべき検査体が示されており、12で漏れが示されている。漏れの個所はこの場合測定個所である。スニッファの先端部13は、漏れ12の存在のためにテストガスを含んでいる測定ガスをピックアップするために用いられる。スニッファの先端部に接続されている導管15を介してピックアップされた測定ガスがキュベット2に流れる。スニッファの先端部の環境からガスをピックアップする(参照ガス)ためにホース導管17の開口16が用いられる。このガスはテストガスバックグランドを含んでいることができる。テストガスバックグランドは漏れ12から流れ出るガスの濃度を検出する際に考慮されるべきものである。
【0018】
図1の実施形態では、制御弁21が測定ガスおよび参照ガスの交番的な供給のために用いられる。弁は、導管15か導管17がキュベット2の入口ポート8に接続されているように実現されている。それぞれのガスはキュベットを軸線方向に流れかつキュベットを出口ポート9を通って離れる。出口ポートは搬送ないし真空ポンプ22に接続されている。これにより吸収能力に応じてキュベット2内の検査すべきガスの流れ速度が決められる。
【0019】
ガス交換は有利には周期的に行われる。このために制御弁21の制御ユニット23は線路24を介してロック・イン増幅器6に接続されている。それ自体公知のロック・イン技術の使用は、有効信号が周波数および位相選択的にフィルタリングされるという利点を有している。これにより障害信号は非常に効果的に抑圧される。IR光源3もガス交換と同期して変調されるべきである場合には、光源もロック・イン増幅器6に接続されている。この変形例は破線24′によって示されている。制御部を含むロック・イン処理は適当なソフトウェアを有するマイクロコントローラによって引き受けられても構わない。
【0020】
図2の実施例ではキュベット2と導管15,17との間に有利には−図示されているように−円筒形に実現されている中間室25が存在している。この中に、クランク駆動装置26に連結されているピストン27が存在している。導管15および17はそれぞれ、中間室25の相対向している端面側の領域に入って終わっている。これらの領域において中間室は入口ポート8および10でキュベット2とも接続されている。ピストン27は中間室で2つの別個のチャンバ28,29を形成している。チャンバ28は測定ガスの取込および放出のために用いられ、チャンバ29は参照ガスの取込および放出のために用いられる。ピストン27の往復運動により、測定ガスおよび参照ガスが交番的にキュベット2に供給されることになる。供給されたガスはキュベットを有利にはキュベット2のほぼ真ん中に配置されている出口ポート30を介して離れる。出口ポートはポンプ22(図1)に接続されている。図1の実施例に比べて、キュベット2内の一層迅速かつ完全なガス交換が行われる。
【0021】
図3の実施例においても、チャンバ28,29を有する中間室25が存在している。これらは断面が円形のケーシング31と、断面が半円形の回転振動形ピストン32と半径方向の分離壁33とから形成される。チャンバ28,29は導管35,36を介してキュベット2のポート8,9に接続されている。導管35,36には導管15,17が、ピストン32の振動運動が、駆動部37によって生成されて、キュベット2に測定ガスおよび参照ガスを交番的に充填するように入り込んでいる。これらのガスはキュベット2を真ん中のポート30を介して離れる。
【0022】
図1,図2および図3の実施例の場合のキュベットにおける周期的なガス交換を行うタイミングクロックはロック・イン増幅器6によって決められる。この増幅器はそれぞれ、線路24を介して弁21,クランク駆動部26または振動ピストン32の駆動部37に接続されている。周期当たり1secないし1/6secのクロック時間が有利であることが分かっている。
【0023】
図1ないし3の実施例において、キュベット2は第1の時間周期には測定ガスが充填されかつ第2の時間周期には参照ガスが充填される。これに対して図4の実施例では、測定ガスはキュベット2に導管15を介して連続的に供給される。参照ガスは周期的にしか供給されない。参照ガスは導管17に配置されている弁41を介して制御ユニット43によって供給される。この弁の開放および閉鎖時間は同じく、ロック・イン増幅器6によって前以て決められるタイミングによって決定される。測定作動の期間、キュベット2には参照ガスおよび測定ガスもしくは参照ガスだけが交番的に流れる。測定ガスが漏れからでているテストガスを含んでいると、検知器4は所望の交番信号を送出する。
【0024】
漏れ率感度は測定ガスないしテストガス流に依存しているので(測定ガス流が小さい場合感度は高い)、測定ガス流がキュベットにちょうど1/2周期において測定ガスを充填するように定められている絞り42を導管15が備えているようにすると効果的である。これに対して参照ガス流は高くても構わない。実際に十分な参照ガスを使用することができるからである。
【0025】
更にすべての実施例において、参照ガス測定サイクルを測定ガス測定サイクルより短く選択する可能性がある。これにより、デッドタイムは短縮され、一層迅速および/または一層感度の高い測定が可能である。
【0026】
既に説明したように、IR光源はロック・イン増幅器のタイミングによって変調される必要はない。というのはガス交換で既に所望の変調が生じるからである。しかしIR光源3をガス交換と同期して付加的に変調して、測定信号の一層急峻な側縁が実現されるようにすることができる。変調しなければ測定信号側縁はガス交換の速度によって決められる。
【0027】
図5には、図1の実施例に基づいて、どのようにして作動期間中スニッファ流を高い感度で検査/監視することができるかが示されている。このことは差圧力センサ45を用いて行われる。差圧力センサは弁21の高さにおいて導管15,17に接続されている。測定された差圧力信号は増幅器46を介して評価ロジック47に供給される。この差圧力信号を切換周波数に対して位相選択的に評価すると、一方または他方のスニッファ導管または両方のスニッファ導管の流れが変化したかどうかに関する情報が得られる。ポンプの導管のつまりもしくはポンプの欠陥も検出される。
【0028】
差圧力監視の別の可能性は流れセンサを用いて実現することができる。しかしこの手法は上に説明してきた手法と比べると煩雑である。
【0029】
図6には、同じく図1の実施例に基づいて、どのようにしてガスアナライザー1の機能を高い感度で検査/監視することができるかが示されている。これは、センサにおける信号が基本周波数fg(ロック・イン増幅器6から供給される)によって変調されかつ周波数選択受信ユニットが漏れ率を求める解決法に使用可能である。
【0030】
図6の解決法において第2のロック・イン増幅器51が設けられている。これは周波数frを有する参照クロックを供給する。ロック・イン増幅器6および51の入力側は導管52を介して相互に接続されている。ロック・イン増幅器51の出口には評価ユニット53が接続されている。評価ユニットはその情報を指示部7に送出する。ロック・イン増幅器51は増幅器55を有する線路54を介してIR光源3に接続されている。
【0031】
図6に図示されている実施例では、ガスアナライザー1の監視は、赤外線ランプ3が別の周波数の(付加的な)信号によって変調されるようにして行われる。有効信号fgとの干渉を回避するために、例えばfr=2.5fgの周波数が提供される。変調振幅は、この信号が受信ユニットにおいて周波数選択的に申し分なく評価される得るような大きさに選択されなければならない。その場合周波数fgを有する測定信号および周波数frを有する参照信号が得られ、これらは相互に独立して評価可能である。システム感度が障害によって低減するようにあれば、このことはfrでの信号成分の振幅が低減することで識別される(たとえ漏れが測定されないときでも)。このことから障害報知に対する限界値を確定することができる。
【0032】
評価はブロック53において行われる。評価は、感度が低下していく際に較正係数を整合し、これにより測定精度を高めるためにも用いることができる。
【0033】
図面および実施例にはそれぞれ、使用の回路の構成部分である別個のブロックが示されている。好適には集積されたシステムの使用である。例えばロック・イン処理、測定および制御信号の制御および処理のために、所属のソフトウェアを有するマイクロコンピュータないしマイクロプロセッサ回路を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
弁システムを用いてガス供給が行われる赤外線ガスアナライザーのブロック線図である。
【図2】
線形に移動するピストンを有する中間室を介してガス供給が行われる赤外線ガスアナライザーのブロック線図である。
【図3】
回転式振動ピストンを有する中間室を介してガス供給が行われる赤外線ガスアナライザーのブロック線図である。
【図4】
絞り(測定ガス)および弁(参照ガス)を介してガス供給が行われる赤外線ガスアナライザーのブロック線図である。
【図5】
スニッファ流監視部を備えた実施例のブロック線図である。
【図6】
機能性を監視するための手段を装備している実施例のブロック線図である。
Claims (25)
- 測定個所に場合により存在しているテストガスを検出するための方法であって、
検査すべきガスを収容するキュベット(2)と、該キュベットの一方の端面に配置されている赤外線(Infrarot=IR)光源(3)と、キュベットの他方の端面に配置されているIR検知器(4)とを有している赤外線ガスアナライザー(1)が用いられ、IR検知器の信号が測定個所においてピックアップされるテストガスを検出するために用いられ、かつ
赤外線ガスアナライザーに対してガスを供給するために用いられる2つのガス導管(15,17)が用いられ、該ガス導体の一方は測定個所において場合によりテストガスを含んでいる測定ガスをピックアップするように定められており、該ガス導管の第2のもの(17)は、測定個所の周囲のガス(参照ガス)をピックアップするように定められており、該ガスは、測定個所でピックアップされるテストガスの検出の際に考慮されるべきであるテストガスバックグランドを含んでいることができる
そういう形式の方法において、
1つのキュベット(2)だけが存在しており、
測定個所でピックアップされた測定ガスおよび参照ガスは赤外線ガスアナライザーのキュベットに、これらがキュベットにおいて交番的に存在しているように供給され、
測定個所で、測定ガス中の濃度が参照ガス中のテストガス濃度よりも高いテストガスがピックアップされる場合、IR検知器から供給される交番信号が高められたテストガス濃度の検出のために用いられる
ことを特徴とする方法。 - 前記一方の導管(15)および他方の導管(17)をキュベットのポート(8)に交番的に接続する制御弁(21)が使用される
請求項1記載の方法。 - キュベット(2)と導管(15,17)との間に存在していて、参照ガスおよび測定ガスをキュベット(2)に交番的に供給するためのピストン(27,32)を備えている中間室(25)が使用される
請求項1記載の方法。 - 測定個所に場合により存在しているテストガスを検出するための方法であって、
検査すべきガスを収容するキュベット(2)と、該キュベットの一方の端面に配置されている赤外線(Infrarot=IR)光源(3)と、キュベットの他方の端面に配置されているIR検知器(4)とを有している赤外線ガスアナライザー(1)が用いられ、IR検知器の信号が測定個所においてピックアップされるテストガスを検出するために用いられ、かつ
赤外線ガスアナライザーに対してガスを供給するために用いられる2つのガス導管(15,17)が用いられ、該ガス導体の一方は測定個所において場合によりテストガスを含んでいる測定ガスをピックアップするように定められており、該ガス導管の第2のもの(17)は、測定個所の周囲のガス(参照ガス)をピックアップするように定められており、該ガスは、測定個所でピックアップされるテストガスの検出の際に考慮されるべきであるテストガスバックグランドを含んでいることができる
そういう形式の方法において、
1つのキュベット(2)だけが存在しており、
測定個所でピックアップされた測定ガスおよび参照ガスは赤外線ガスアナライザー(1)のキュベット(2)に、該キュベット(2)において連続的に、測定個所でピックアップされた測定ガスが流れかつ一時的に付加的に参照ガスが流れるように供給され、かつ
測定個所で、測定ガス中の濃度が参照ガス中のテストガス濃度よりも高いテストガスがピックアップされる場合、IR検知器から供給される交番信号が高められたテストガス濃度の検出のために用いられる
ことを特徴とする方法。 - 信号評価のためにロック・イン技術が使用される
請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。 - 測定サイクルは参照サイクルより長めに選択される
請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。 - ガスアナライザーの機能性が連続的に監視される
請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。 - 基本周波数fgで行われるガス交換に対して付加的に、IR光源(3)は(一時的に)参照周波数frによって変調される
請求項7記載の方法。 - ガス流が連続的に監視される
請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。 - 供給導管(15,17)における圧力が測定されかつ
該両圧力の差が測定量として用いられる
請求項9記載の方法。 - IR光源(3)もガス交換と同期して変調される
請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。 - 請求項1の特徴部分に記載の構成を有する方法を実施するための装置において、
該装置は、測定個所でピックアップされた測定ガスおよび参照ガスを赤外線ガスアナライザーのキュベットに、該両方のガスが交番的に存在しているように供給する手段(21ないし23;25ないし29;31ないし37)を備えている
ことを特徴とする装置。 - 前記手段は制御弁(21)から成っており、該制御弁は測定ガスを導く導管(15)および参照ガスを導く導管(17)をキュベットに交番的に接続する
請求項12記載の装置。 - 前記手段は2つの別個のチャンバ(28,29)を備えている中間室(25)を有しており、該チャンバを介してピストン(27,32)を用いてキュベット(2)に測定ガスおよび参照ガスが交番的に供給される
請求項12記載の装置。 - キュベットは出口ポート(9,30)を備えており、該出口ポートに搬送/真空ポンプ(22)が接続されている
請求項12から14までのいずれか1項記載の装置。 - 参照ガスの供給のために用いられる導管(17)に制御弁が存在している
請求項4の特徴部分に記載の構成を有する方法を実施するための装置。 - 測定ガスの供給のために用いられる導管(15)に絞り(42)が存在している
請求項16記載の装置。 - 請求項5の特徴部分に記載の構成を有する方法を実施するための装置において、
電子装置の構成部分はロック・イン増幅器(6)であり、該増幅器の、タイミングを割り当てる線路(24)は弁(21)と、ピストン(27,32)の駆動部(26,37)と、弁(41)と、場合によってはIR光源(3)とに接続されている
ことを特徴とする装置。 - 請求項7または8の特徴部分に記載の構成を有する方法を実施するための装置において、
別のロック・イン増幅器(51)が設けられており、該増幅器の、参照周波数に対するタイミングを予め定める線路54はIR光源に接続されている
ことを特徴とする装置。 - 参照周波数frは、基本周波数fgより大きい、有利には大体係数2.5だけ大きい
請求項19記載の装置。 - 第2のロック・イン増幅器は評価ユニット(53)に接続されており、該評価ユニットはシステムエラーの検出のために用いられる
請求項18または19記載の装置。 - 評価ユニットは較正係数の整合のためにも使用される
請求項21記載の装置。 - 請求項9または10の特徴部分に記載の構成を有する方法を実施するための装置において、
差圧力センサ(45)が前記導管(15,17)に接続されておりかつ
該圧力センサの出力側は評価電子装置(47)に接続されている
請求項23記載の装置。 - 評価電子装置は固有のロック・イン増幅器を含んでいる
請求項23記載の装置。 - ロック・イン処理、測定および制御信号の制御および処理のために、所属のソフトウェアを備えているマイクロコンピュータ回路ないしマイクロプロセッサ回路が使用される
請求項12から24までのいずれか1項記載の装置。
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