JP4806011B2 - クオーツウィンドウセンサを備えたスニッファ漏れ検知器 - Google Patents

Description

本発明はクオーツウィンドウセンサを備えたスニッファ漏れ検知器、殊に比較的簡単な、臭跡ガスに対する検出装置で間に合うスニッファ漏れ検知器に関する。

容器および管系の機密性検査の際に通例、ヘリウムが臭跡ガスとして利用されかつヘリウムの漏出は質量分光法を用いて検出される。このためにガスがイオン化されかつ引き続いて電場および磁場の組み合わせにより個々のガス成分もしくはその一部が分離される。分離後、ヘリウムイオンは検知器によって検出されかつ信号が引き続いて増幅されかつ評価される。ヘリウムの検出はガスクロマトグラフィック法によっても行うことができるが、この場合の検出感度はいささか悪くなる。

スニッファ漏れ検査の際、一定の規定のガス量がスニファ導管を通って吸い込まれる。スニファ導管を通るガス流量およびヘリウムの漏れ率（機密性検査のために被検体にヘリウムが充填されかつ封鎖される）に依存して、スニファ検知されるガス流に所定のテストガス濃度が生じる。このスニファ検知される混合ガスの僅かな成分が分流器を介して検出系（質量スペクトロメータ）に導入される。分析ユニットにおいて質量分離を成功させるために、圧力は標準検出系において数１×１０^−４ｍｂａｒを上回ることは許されない。これにより検出すべきヘリウム分圧は１ｐｐｍのヘリウム濃度において僅か１０^−１０ｍｂａｒである。

全圧を１×１０^−４の領域において生成するには、ターボ分子ポンプを使用する必要がある。この種のポンプの使用は高価でありかつ障害を受ける可能性も高くしかも系の保守コストも上がる。大気条件においてテストガスの検出を可能にして、ターボ分子ポンプおよび分流器を使用しないですむようにすることが切に望まれる。

ＵＳ６２７７１７７Ｂ１（Ｌｅｙｂｏｌｄ Ｖａｋｕｕｎ ＧｍｂＨ）およびＤＥ１００３１８８２Ａ１（Ｌｅｙｂｏｌｄ Ｖａｋｕｕｎ ＧｍｂＨ）に、真空密のケーシングを封鎖するクオーツウィンドウ膜を有しているヘリウムまたは水素に対するセンサが記載されている。クオーツウィンドウ膜は判定すべきガスに対して選択的に作用する通路を形成する。ケーシングに配置されているテストガスセンサは、ケーシングに侵入しているガスの全圧に反応するガス圧力センサである。クオーツ膜はガス選択作用するので、ガス圧力センサはケーシングにおけるテストガスの圧力を判定する。ケーシングに配置されている圧力センサは有利には、相互間隔を以て配置されており、かつカソード電極間にアノードリングを有しているペニング圧力センサである。カソード電極とアノードリングとの間に延在する電流回路はカソードまたはアノード電流を測定するための電流測定装置を含んでいる。磁場は、閉鎖されたケーシングの外側に取り付けられた永久磁石によって生成される。この種のペニング検知器は、それが質量スペクトロメータを備えたスニッファ漏れ検知器より著しく簡単でありかつコスト面で有利であるという利点を有している。クオーツウィンドウテクノロジーでは全体のガス流はセンサの脇を通っていくようになっている。センサの圧力は作動期間の間にも大気圧に相応している可能性がある。これによりヘリウム分圧はＨｅ濃度が１ｐｐｍの場合に１０^−３ｍｂａｒであり、すなわち標準法の圧力より７オーダ上にある。ヘリウムおよびその他のガスとの分離は、ヘリウムだけを検出ボリューム中に通す薄いクオーツ膜を用いて行われる。

本発明の課題は、簡単かつコスト面で有利に構成されておりかつ高い感度を実現するスニッファ漏れ検知器を提供することである。

本発明のスニッファ漏れ検知器は請求項１の特徴部分に記載の構成によって定められている。本発明は、テストガスに対して選択透過性のクオーツウィンドウを備えたスニッファ漏れ検知器である。クオーツウィンドウに、探すべきガスがスニッファ漏れ検知プローブを介して供給される。ガスはクオーツウィンドウによって区切られている吸い込み空間を通ってガイドされるので、ガスはクオーツウィンドウに沿って流れることになる。

クオーツウィンドウセンサは、それが数１００ｍｂａｒの圧力において作動できるという利点を提供する。質量スペクトロメトリックシステムにおける分流器の形の「点形状の」ガス導入に対して、クオーツウィンドウセンサではガス導入は、数平方センチメートルの領域をカバーしているクオーツウィンドウ面全体にわたって分配される。吸い込み空間により、スニファ導管から点状に供給されるプローブガスは、それは真空ポンプによって吸い込まれる前に、クオーツウィンドウの前で均一に分配されるようになる。クオーツウィンドウセンサの内部のテストガスの僅かな分圧のためにテストガスの一部は真空ポンプの作用に抗してクオーツ膜を通ってケーシングに入って行く。検査ガス流がクオーツウィンドウの前に均一に分配されることによって、高い応答感度が生じる。

本発明の有利な発展形態において、吸い込み空間が、クオーツ膜と一緒にガス供給空間を区切っているガスガイドプレートを含んでおり、かつスニファ導管がガスガイド空間に入り込んでいるようになっている。ガスガイド空間は吸い込み空間より著しく狭い。ガスガイド空間はクオーツウィンドウの前に形成されるボリュームを区切る。スニッファ漏れ検知器の応答時間はほぼ、センサの前に交換されなければならないガス量によって決定される。センサ膜の前のガスの交換のために必要である交換のための時間τは次のように計算することができる：
τ＝ｐＶ／ｑｐＶ
ｐ：膜の前の圧力；Ｖ：膜の前のボリューム；ｑｐＶ：流れ。

つまりガスガイド空間のボリュームＶはガスガイドプレートによって低減されるので、これにより応答時間も低減される。他方においてクオーツ膜の前のガス圧ｐは数百ｍｂａｒという比較的高い値に選択することができる。というのは、全体として１００ｍｓより著しく下方の交換時間が実現されるように、ボリュームを相応に小さく選択したからである。スニッファ漏れ検査されるガスはガスガイド空間に沿ってクオーツ膜に沿うようにガイドされる。横断面は最小のボリュームおよびガスガイド空間の十分なコンダクタンスに合わせて選定されている。横断面はガスの流れが妨げられないように十分な大きさでなければならない。ガスがクオーツ膜に沿って流れると、ガスはこの真空ポンプに接続されている吸い込み空間に達して、規定の吸い込み能力を以てポンプにより排出される。

本発明は更に、スニッファ漏れ検知器を汚染から保護することに関する。クオーツウィンドウヘリウムセンサはヘリウムの存在後に、２段階で行われる信号減衰を呈する。この減衰は、センサの真空時定数に相応した信号の迅速な減衰とずれているオフセット流の緩慢な減衰とから成っている。スニッファ漏れ検知器におりヘリウムを沢山含んでいる空気においてスニッファ漏れ検査されると、センサの汚染がオフセットのずれとして発生する。オフセットのずれの程度はセンサによって新たに検出されたヘリウム量に依存している。オフセットのずれは正確かつ迅速な漏れ検査のために回避されなければならない。このことは、判定された信号しきい値を上回っている際にセンサ膜の前の全圧を低下させることによって実現される。このために真空ポンプから吸い込み空間に通じている吸い込み導管は弁を含んでいる絞られていないバイパス導管によって橋絡可能である。バイパス導管を短時間開放させて、クオーツ膜の前のボリュームをポンピングする吸い込みが高められるようにすることができる。これにより全圧、ひいてはセンサ膜の前のヘリウム分圧も低減される。つまり、センサに達するヘリウム量が低減される。

更に高い信号しきい値を上回ると換気弁を開放することができ、これによりクオーツ膜の前のガスは空気に置換される。スニファ導管におけるテストガスを著しく含むガスは非常に長い間、真空ポンプに直接ガイドされる。

クオーツウィンドウセンサは寿命の期間の間、制限された量のヘリウムしかピックアップすることができない。空気は自然の状態において５ｐｐｍのヘリウム成分を含んでおり、これに相応してセンサは持続的に作動期間中に大気からヘリウムをピックアップする。センサがスタンバイモードの期間にピックアップする成分は低減されなければならない。しかしスタンバイモード後に高い測定精度で迅速な再始動が保証されるように、センサ膜での温度プロフィールは維持されなければならない。スタンバイモードの期間、クオーツ膜の前の圧力は低減される。加熱されたセンサ膜冷却能力は実質的に、膜の前のガス流に依存しており、圧力には依存していない。圧力の低減はほんの僅かしか流れに影響しないので、スタンバイモード期間のセンサ膜での温度プロフィールは維持される。択一的にガス流は定常モードの期間にスニファ導管ではなくて、適当な絞りによって吸い込まれるようにすることができる。このことは、粒子フィルタがスニファ導管の尖端にシフトされるという利点を有している。

ある時間間隔において本発明の有利な形態によれば、作動モード「シミュレーション重い漏れ」を実施することができる。この場合ユーザによって、系は信号が迅速に減衰するようにトレーニングされる。このためにスニッファ漏れ検知器により大きなヘリウム漏れ率、例えば１０^−３ｍｂａｒｌ／ｓでスニッファ漏れ検査され、その結果大きなヘリウム量後に迅速に出発レベルに減衰するために系は新たに「学習する」ことができる。一般に、標準形態において漏れ探索装置に組み込まれているテスト漏れは僅か１０６ｍｂａｒｌ／ｓの漏れ率を有している。大きな漏れ率をシミュレーションするために、真空ポンプの吸い込み能力は第１の絞りによって、スニファ導管を通る流れが大体係数１００だけ少なくなる程度に低減される。これにより組み込みテスト漏れにおけるスニッファ漏れ検査期間のヘリウム濃度は同じ係数だけ高められる。系は濃度が高くなると漏れ率が一層高くなると見なす。こうして量１０−５ｍｂａｒｌ／ｓのテスト漏れによって量１０^−３ｍｂａｒｌ／ｓの漏れがシミュレートされる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

図面には以下のことが示されている：
図１は本発明のスニッファ漏れ検知器の第１実施例のブロック線図を示しており、
図２はスニッファ漏れ検知器の第２の実施例をブロック線図にて示している。

図１に示されているように、フレキシブルなスニファ導管１１を介してスニッファプローブ１２に接続されている基本装置１０が設けられている。スニッファプローブ１２は手動でガイドされて、テストガスが出てくる漏れ個所でテスト物体が探索されるようにすることができる。

基本装置１０は図示の例では、膜ポンプとして実現されている、ポンプ段１３ａおよび１３ｂを備えた２段のポンプである真空ポンプ１３を有している。真空ポンプは約５０ｍｂａｒの真空を生成する。

真空ポンプ１３から吸い込み導管１４が吸い込み空間１５に出ている。吸い込み空間１５はクオーツウィンドウセンサ１６の前に形成されている。吸い込み空間１５の壁はクオーツウィンドウセンサ１６のケーシングに続いている。クオーツウィンドウセンサ１６のクオーツウィンドウ１７は吸い込み空間１５によって取り囲まれている。吸い込み空間１５内にガスガイドプレート１８が存在している。ガスガイドプレートはクオーツウィンドウ１７に間隔をおいて対向されておりこれと平行に配置されている。クオーツウィンドウ１７およびガスガイドプレート１８はガスがウド空間１９を形成している。スニファ導管１１はガスガイド空間１９に通じている。ガスガイド空間１９は側方の漏出開口２０を有しており、ここを通ってガスが吸い込み空間１５に入り込むことができる。ガスガイド空間１９はクオーツウィンドウ１７の前でガスが分配されるような作用をする。

クオーツウィンドウセンサ１６は、ＤＥ１００３１８８２Ａ１に記載されているセンサのように構成されている。クオーツウィンドウ１７はヘリウムに対して選択的に透過性の膜から成っている。その他クオーツウィンドウセンサ１６は電気信号を生成するペニングの圧力センサまたは別の圧力センサを含んでおり、この場合電気信号はクオーツ膜によって閉じられているケーシングにおける圧力を指示するものである。この圧力からテストガスで検出された量に対する信号が導出される。

吸い込み導管１４は真空ポンプ１３と吸い込み空間１５との間に第１の絞りＤ１を含んでおり、該絞りにより通常作動モードに対する吸い込み力が決定される。第１の絞りＤ１は迂回導管２５によって橋絡されている。迂回導管は第２の絞りＤ２およびこれと直列な弁Ｖ２を含んでいる。更に絞りＤ１は、弁Ｖ１を含んでいるバイパス導管２６によって橋絡されている。

吸い込み空間１５は換気弁Ｖ３を介して周囲空気と接続可能である。

汚染保護弁Ｖ４はスニファ導管１１を絞らずに真空ポンプ１３の吸い込み口に接続する。

スニファ導管１１は、ガス流において弁Ｖ４の直前に配置されている付加的な弁Ｖ５を含んでいる。弁Ｖ５は、スタンバイモードの期間に流れをストップしかつこうしてクオーツウィンドウセンサ１６のセンサ膜の前の圧力を真空ポンプの終圧に下げることができるようにするために利用されるマグネット弁である。

次の表１に種々の作動モード「通常」、「スタンバイ」、「汚染保護」および「シミュレーション重い漏れ」およびこのために弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３およびＶ４の相応の位置が示されている。更に表は吸い込み装置の吸い込み能力をどのエレメントが決定するかという情報も含んでいる。
表１：

図２の実施例は図１の実施例とは、換気弁Ｖ３が吸い込み導管１１に配置されており、これによりガスガイド空間１９を換気する点で相異している。換気弁Ｖ３は入り口に絞りＤ３を備えており、これにより換気流が制限される。汚染保護弁Ｖ４はここでもスニファ導管１１と真空ポンプ１３との間に存在している。

図２の実施例の作動モードが以下の表２に示されている。
表２：

２つの図示の変形形態はスタンバイモードでの作動法でしか異なっていない。

第１の実施例においてスタンバイモードの期間にガス流が引き続きスニファ導管１１を通ってガイドされる。スニッファ漏れ検査されるガスはスニッファプローブ１２からクオーツウィンドウセンサ１６まで弁を通過しないので、系は短い応答特性を有している。

図２の実施例ではガス流は絞りＤ３を通ってガイドされる。絞りＤ３のコンダクタンスはスニファ導管１１のコンダクタンスに等しくなるように選択されている。つまり、スタンバイモードの期間にセンサウィンドウ１７を流れるガス流が通常作動に対して変わっていないことが保証されている。スタンバイモードの期間、この変形形態ではスニファ導管１１に設けられている粒子フィルタが付加的に傷みにくくなる。

本発明のスニッファ漏れ検知器の第１実施例のブロック線図 本発明のスニッファ漏れ検知器の第２実施例のブロック線図

Claims (10)

1. ガス選択透過性のクオーツウィンドウ（１７）とガス圧センサとを有するクオーツウィンドウセンサと、スニファ導管（１１）を介してクオーツウィンドウセンサ（１６）に接続されているスニッファプローブ（１２）と、真空ポンプ（１３）と、クオーツウィンドウセンサ（１６）のクオーツウィンドウ（１７）の前に配置されていて、真空ポンプ（１３）に接続されている吸い込み空間（１５）とを備えているスニッファ漏れ検知器であって、前記ガス圧センサは前記クオーツウィンドウ（１７）を通って侵入したガスの圧力を測定するものである、
   スニッファ漏れ検知器において、
   吸い込み空間（１５）が、クオーツウィンドウとともにガスガイド空間（１９）を区切っているガスガイドプレート（１８）を含んでおり、かつ
   スニファ導管（１１）が前記ガスガイド空間に入り込んでいる
   ことを特徴とするスニッファ漏れ検知器。
2. 真空ポンプ（１３）から吸い込み空間（１５）に通じている吸い込み導管（１４）は第１の絞り（Ｄ１）を含んでおりかつ
   該第１の絞り（Ｄ１）は第２の絞り（Ｄ２）および弁（Ｖ２）を含んでいる迂回導管（２５）によって橋絡可能である
   請求項１記載のスニッファ漏れ検知器。
3. 真空ポンプ（１３）から吸い込み空間（１５）に通じている吸い込み導管（１４）は第１の絞り（Ｄ１）を含んでおりかつ
   第１の絞り（Ｄ１）は１つの弁（Ｖ１）を含んでいる絞られないバイパス導管（２６）によって橋絡可能である
   請求項１または２記載のスニッファ漏れ検知器。
4. クオーツウィンドウセンサ（１６）の汚染を保護するために、スニファ導管（１１）は汚染保護弁（Ｖ４）を介して絞られずに真空ポンプ（１３）に接続可能である
   請求項１から３までのいずれか１項記載のスニッファ漏れ検知器。
5. 吸い込み空間（１５）は換気弁（Ｖ３）を備えている
   請求項１から４までのいずれか１項記載のスニッファ漏れ検知器。
6. 換気弁（Ｖ３）は絞り（Ｄ３）と直列に接続されてスニファ導管（１１）に接続されている
   請求項５記載のスニッファ漏れ検知器。
7. 通常モードではバイパス導管（２６）が阻止されておりかつ迂回導管（２５）が開放されている
   請求項１から６までのいずれか１項記載のスニッファ漏れ検知器。
8. 通常モードではバイパス導管（２６）が阻止されておりかつ迂回導管（２５）が開放されている
   請求項１から７までのいずれか１項記載のスニッファ漏れ検知器。
9. 汚染保護作動モードでは、バイパス導管（２６）および迂回導管（２６）が開放されておりかつ換気弁（Ｖ３）が一時的に開放されかつ汚染保護弁（Ｖ４）が開放されている
   請求項１から８までのいずれか１項記載のスニッファ漏れ検知器。
10. 作動モード「シミュレーション重い漏れ」では、バイパス導管（２６）、迂回導管（２５）および換気弁（Ｖ３）が阻止されている
    請求項１から９までのいずれか１項記載のスニッファ漏れ検知器。

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