JPH06510121A - 光音響漏れ検出及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光音響漏れ検出及び方法 技術分野 本発明は一般にガス漏れのアラーム及び場所決定に関する。本発明は特に、生産 ライン又は現場での気密性又は液密性部品の漏れ検査用装置及び方法に関する。

圧縮器、熱交換器、燃料タンク、燃料及び油圧ライン、圧力容器、窓及びドアの シール等の漏れ試験は、多種多様な工業で重要な製造要件になっている。大抵の 場合、これらの部品及び／又はシステムが完全に気密液密であるかは通常、ある 形態の圧力減衰（ｄｅｃａｙ）試験によって決定されている。この技術では、特 定の過剰圧力で被試験ユニットに空気を注入し、圧力を特定の時間の間監視する 。指定の時間間隔後に圧力が規定値以下に下がらなければ、被試験部品は漏れが ないとみなされる。これは非常に簡単で、コスト的に有効な漏れ検査方法である 。この方法は、いつでも実施可能な生産ラインの漏れ検査で使用される。しかし ながら、圧力保持方法は本質的に漏れのある／なしを検査する試験であって、作 業者にはユニットに漏れがあるがどうかだけを指摘して、漏洩場所は教えない。

更には、漏れの少ない大型部品では、長い時間が必要である。手順は監視期間中 に生じ得る任意の温度変化の影響も受ける。

より高感度の技術は、部品を真空にして、そして部品をヘリウムガスで完全に包 囲することからなる。真空システム内部の検出器は、部品から送出される空気中 にヘリウムが存在するかどうかを作業者に通知する。この技術は、１０−９標準 立法センナメートル／秒（Ｓ　ＣＣ／秒）まで小さい漏れを検出することができ るが、設置及び維持に非常にコストがかかり、圧力減衰技術と同様、漏洩場所を 教えてくれない。

一般に、圧力減衰試験又はヘリウム漏れ試験に落ちた部品は生産工程から外され て、ある形態の漏洩場所検出試験に付される。加圧／浸漬、加圧／ソーピング（ ｓｏａｐｉｎｇ）、アンモニア感応性塗料及びトレーサガスの注入／検出が、漏 洩源の正確な位置を決定するために現在使用されている最も一般的な工業技術で ある。

加圧／浸漬技術は、部品を加圧し、部品を水又は他の透明な液体に完全に浸漬し 、泡発生地点を観察することからなる。この技術は、液体浸漬の不利な作用を受 けない小型部品を含む状況では十分にうまく機能する。しかしながら、この技術 は通常、試験後の掃除及び／又は乾燥工程を必要とする。この技術は、適切な照 明及び表面張力の小さい液体の使用によって、また適切な観察時間が与えられれ ば、１０−’ｓｃｃ／秒まで小さい漏れの場所を検出することができる。これは 作業が非常にきつく、時間を消費する方法であり、作業者の長時間の極度の集中 を必要とする。これは、それほど簡単には自動化できない漏洩場所検出技術であ る。

加圧／ソーピングは一般に、完全な浸漬が実用的でない部品又はより大型の複雑 なシステムの漏洩場所を検出するために使用される他の漏洩場所検出技術である 。この技術では、漏れのある部品を空気で加圧し、薄い粘性液体（通常は石鹸） を塗布又は噴霧して、漏洩場所を示す泡が存在するかを観察する。この技術では 、液体石鹸を漏洩部分上に置いて、石鹸が蒸発又は流出する前に泡の生成を観察 しなければならない。これは、加圧／浸漬よりも幾分作業のきつい技術であり、 絶えず試験後の掃除を必要とする。経験を積んだ技術者によれば、この技術で１ Ｏ−３ｓｅｃ／秒まで小さい漏れの場所を検出することができ、これは加圧／浸 漬技術の約１０分の１の感度である。

加圧／アンモニア感応性塗料塗布技術では、部品を水溶性のアンモニア感応性塗 料でコーティングし、少量の液体アンモニアを部品内に注入し、密封し、空気で 加圧する。

漏洩場所からアンモニア／空気混合物が出ると、特殊塗料が変色して、漏洩場所 が正確に検出される。この技術は非常にコストがかかり、有毒材料（アンモニア ）の使用を含み、コストのかかる試験後の掃除を必要とする。しかしながら、こ の技術はしばしば部品を完全にカバーし且つ十分に感応性がある。塗料製造業者 によれば、観察者は、１゜３気圧に加圧した直径１０μｍのピンホールからの漏 れによって生じる塗料の変色を５メ一トル離れた所から１分以内に認めることが できる。同一条件下で直径３０μｍのピンホールから漏れると、１分以内に直径 ６ｍｍが変色する。

これらの漏洩速度は１Ｏ−３ｓｅｃ／秒の範囲にあると推定される。

トレーサガスの注入／検出技術は、部品をトレーサガス、通常ヘリウム（Ｈｅ） 又はクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）で加圧し、外部を感知式探知器型検出器 で検査することからなる。この技術は極めて高感度であり、探知器の入力が直接 漏洩源上に置かれていれば、１０−’ｓｃｃ／秒まで小さい漏れの場所を検出す ることができる。Ｈｅアプローチの欠点は、ガス及び検出システムのコストであ る。しかしながら、この技術は比較的バックグラウンドガスの誤った読取りがな い。他方では、ＣＦＣガス及び検出器のコストは全く妥当であるが、これらの探 知器は多数の共通のバックグラウンドガスの影響を受け、ＣＦＣガスは環境への 悪影響のために現在トレーサガスとしては段階的に排除されている。更にはこの 技術では、小さな漏れの場所は、近くに漏れの大きい場所が存在すれば分からな くなり得る。

従来技術 本発明は、通常光音響作用として知られ、ガス検出技術として種々の形態で使用 される物理的プロセスを含んでいる。例えば、Ｇｅｌｂｗａｃｈｓの米国特許出 願第４，５１６．８５８号は、多くの場所での有害ガスの濃度を監視するために 、レーザビームが光フアイバケーブルを介して多数の光音響セルに配分される装 置を開示している。

０ｅｈｌｅｒ等の米国特許出願第４，５５７，６０３号は、光音響効果を使用す る種々のガスの選択的検出装置を開示している。この場合、分析すべきガスを含 んでいる光音響セルに導入される光の波長を変えるためにモノクロメータが使用 されている。

Ｒｙａｎ等の米国特許出願第４，６２２，８４５号は、環境から抽出されたガス 試料を含む光音響セルを照射するためにパルス赤外光源及び音響光学チューナプ ルフィルタを使用する装置を開示している。

前述した全ての場合では、検出すべきガスを光音響セル内に導入しなければなら ない。次にこのセルには、セル内のガスによって強く吸収されるようにスペクト ルによって選択されるパルス光又は変調光が照射される。前述した全ての発明の 目的は、問題のガスの濃度を測定することである。

”Ｐｈｏｔｏ−ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒａｎｇｉｎ ｇ−ａ　ｎｅｗ　ｔｅｃｂｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｄｅｔ ｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓｅｓ″（Ｂｒａｓｓｉｎｇｔｏｎ。

Ｊ、　Ｐｈｙｓ、Ｄ：　Ａｐｐ、　Ｐｈｙｓ、、ｖｏｌｕｍｅ　１５．　ｐａｇ ｅ　２１９．　１９８２）と題する論文では、パルスレーザ及びマイクロホン検 出器を使用してガス源の存在及びその範囲を決定する装置が説明されている。ガ ス源までの距離又はパルスレーザビームの視軸に沿っての範囲は、レーザ光が問 題のガスによって吸収されるときに発生する音響パルスの受信の遅延によって決 定される。この技術はパルスレーザを必要とし、且つガス漏れの正確な源をすぐ に決定することができない。

発明の説明 本発明は、気密性又は液密性の部品及び／又はシステムに存在し得る漏れの検出 及び場所決定のための方法及び装置を提供する。本発明は、ガスが光を吸収する ときに生じる光音響効果に基づく。光の波長がガスの吸収線に一致すると、吸収 エネルギはガス中の温度及び圧力を上昇させる。

吸収エネルギが十分に大きければ、圧力波又は音響波が発生して、マイクロホン のような圧力変換器によって検出され得る。本発明は、漏れ試験に付すべき部品 上で走査されるパルス波、変調波若しくは連続波のレーザビーム又は他の十分に 平行化された光線からなる。被試験部品は、走査光線を強く吸収するガスで加圧 される。漏れが生じると、出現したガスが該ガスを通過する光を吸収して、アコ ースチックエミッションを生じる。次にこのアコースチックエミッションはマイ クロホン又は同様の検出器によって検出される。それから得られた信号が、漏れ が存在することを作業者に通知するために使用され得る。更には、被試験部品上 での光線の走査が反復性の又は制御されたパターンであれば、得られる音響信号 は、部品上の漏洩場所を示すために使用され得る。本発明は米国特許出願第４． ５５．６２７号の後方散乱吸収ガス撮像システム（Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ　Ａ ｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｇａｓ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ）への有効な追加 要素である。

従って、漏れの検出及び場所決定のための新規で、改善された方法及び装置を提 供することが本発明の主な目的である。

部品又はシステムに漏れがあることを作業者にすぐに通知する方法を提供するこ とが本発明の他の目的である。

本発明の他の目的は、被試験部品の漏洩場所を作業者にすぐに示すことがである 。

本発明の他の目的は、被試験部品を平行化された光線で走査し且つ得られた音響 信号を検出することからなる漏れの検出及び場所決定のための方法及び装置を提 供することである。

添付図面を参照すれば、当業者には本発明の前述した目的及び他の目的が明白で あろう。

図面の簡単な説明 図１は本発明の光音響漏洩場所決定／アラーム（ＰＡＬＬＡ）システムの主要部 品を示す。図２は本発明の−次元ＰＡＬＬＡシステムの図である。図３は本発明 のパルス又は変調Ｐ　Ａ　Ｌ　Ｌ　Ａシステムの図である。

好ましい実施例の説明 本発明はガス漏れの存在及び場所を検出するための方法及び装置である。本発明 は、平行化された光の源１１と、漏洩する部品１３に照射するビームの走査機構 １２と、漏洩するガス１５が光線１６を吸収することによって発生した音響波を 検出するための音響検出システム１４とを含んでいる。得られた信号は、部品に 漏れがあることを作業者に通知するために使用され得るか又は光線の走査パター ンと協働すれば、被試験部品１３上での漏洩場所を決定するために使用され得る 。

ＰＡＬＬＡシステムの主要部品を示すブロック図を図１に示す。レーザビームの ような平行化された光線１６が、ビーム走査機構１２によって被試験部品１３上 で走査される。光線１６の波長を強く吸収するトレーサガス１７が部品１３に注 入されている。部品１３に漏れがあれば、走査光が漏洩するガス１５を通過する ときに、ガス１５がこの走査光を吸収する。光エネルギを吸収すると、漏洩する カス１５内の圧力が瞬間的且つ局所的に変動し、ガスは一般にアコースチックエ ミッション１９として全ての方向に伝搬する。このアコースチックエミッンヨン １９の周波数は、走査光線１６による漏洩するガス１５への照射の周波数に依存 する。このアコースチックエミッション１９は、音響検出システム１４によって 検出され且つ信号処理ユニット２０によって処理される。次に、部品１３に漏れ があることを作業者に知らせ且つ／又は作業者が漏洩源の場所を決定するのを助 けるために、得られた漏洩指示信号２１がアラームとして使用され得る。

図１の実施例は、漏洩アラーム又は漏洩場所決定のために使用され得る二次元走 査ＰＡＬＬＡシステムを示している。平行化された光の源１１、例えば１０．５ ５１４ミクロンの波長で作動するＣＯ２レーザからの光線は、ラスタ走査機構１ ２に導入される。ビーム走査は、多数の標準的な技術（例えば二軸走査鏡機構、 二軸回転多面機構、ホログラフインクスキャナ、音響光学スキャナ、電子光学ス キャナ、パン／チルトマウント又はこれらの組み合わせ）によって実施され得る 。被試験部品１３は、総二次元走査視野１８によって完全に包囲されるか又は総 走査視野１８を貫くように配置されている。部品１３は、１０．５５１４ミクロ ンの光を強（吸収する六フッ化硫黄（ＳＦ、）のようなトレーサガス１７で加圧 されている。漏れが存在すれば、ＳＦ６ガス１５によるレーザ光１６の吸収によ って発生するアコースチックエミソンヨンは、被試験部品１３を対象とする指向 性ショットガンマイクロホン又は感知式マイクロホン２２と放物面反射装置２３ 機構とによって検出される。マイクロホン２２からの信号及びビーム走査機構１ ２からの走査位置決め信号２６は信号処理ユニット２０に委ねられる。アコース チックバックグラウンドノイズを除去するように注意しなければならない。従っ て、信号処理ユニット２０でビーム走査周波数及び位置信号２６を使用すること が重要である。アコースチックバックグラウンドノイズからアコースチックエミ ッンヨン１９を取出す標準的な方法（例えば同調マイクロホン、音響濾波、ロッ クイン検出及び増幅、ディジタル信号処理又はこれらの組み合わせ）が、適切な 漏洩指示信号２１を発生するために信号処理ユニット２０で使用される。

最も簡単な用途では、図１の実施例は、総走査視野１８内での正確な漏洩場所の 決定が必要でない漏洩アラームシステムとして使用される。しかしながら、ビー ムラスタ走査パターン２５が二次元性であるために、正確な漏洩場所は、幾つか の異なる技術によっても決定され得る。最も簡単な漏洩場所検出技術は、ＰＡＬ ＬＡシステムと部品との間に小区域用ディスクを配置して部品の光線照射を手操 作にて妨げるか又は遮ることからなる。この阻止用ディスクは部品１３上を通過 するときに、光線が部品１３上の小区域を照射しないようにする。阻止用ディス クが、ガスの存在しないビームラスタ走査パターン２５の領域内にあるならば、 アコースチックエミッション１９は尚検出され続ける。しかしながら、ディスク が漏洩するガス１５の存在するビームラスタ走査パターン２５内の領域への光線 １６の照射を妨げるように配置されると、アコースチックエミッション１９は止 まり、漏洩源を正確に決定したことを作業者に通知する。この同じ漏洩場所検出 技術、即ち被試験部品１３の局所的遮蔽も、ビームラスタ走査パターン２５の種 々の位置で光線１６を系統的に変調又はチョッピングすると同時にアコースチッ クエミッション信号１９を示すことによって、ＰＡＬＬＡ内部で実施され得る。

このようにして、音響信号の減少又は消失に対応する総走査視野１８内の水平位 置及び垂直位置は漏洩場所を示す。

総走査視野１８内の漏洩場所を決定するための比較的簡単な第２の方法は、走査 区域を一時的に小さくするか又は視野を縮小（ｚｏｏｍ　ｉｎ）　Ｌ／、次にア コースチックエミッション信号１９が最大になるまでこのように小さくした走査 区域を手動で又は自動的に被試験部品上の種々の点に向けることである。

図２の他の実施例は、漏洩アラーム及び／又は漏洩場所決定システムとしても使 用され得るＰＡＬＬＡシステムの一次元型を示している。この実施例では、平行 化された光線１１は走査機構１２によって一方向にのみ、即ち一次元ライン走査 パターン２９で走査され、その一方でトレーサガス１７で加圧された被試験部品 １３が横断方向に移動して、漏れ検出の目的への完全な合致を提供する。図１に 実施例に関して言えば、アコースチックエミッション信号１９の処理は、オペレ ーションの単純なアラームモードを考慮に入れるようなものであるか又は漏洩場 所検出情報を提供するためにライン走査位置信号２６及び部品１３の横断方向の 移動と相関され得る。

図３の実施例は、漏洩アラーム及び／又は漏洩場所決定システムとして使用され 得る本発明の他の形態である。この実施例では、変調又はパルス光源２４が、被 試験部品１３上の又は該部品よりも僅かに広い区域２８を照射するために焦点に 集められる。部品１３は、光源２４からの輻射線を強（吸収するトレーサガス１ ５で加圧されている。漏れが存在すると、漏洩するトレーサガス１５が光を吸収 して、光源２４の変調周波数又はパルス繰り返し率（ｐｕｌｓｅｒａｔｅ）と同 調するアコースチックエミッション１９を発生する。このアコースチックエミッ ション１９は、音響検出システム１４によって検出され、且つ光源パルス繰り返 し率信号２７を使用して信号処理ユニット２０によって処理されて、漏洩指示信 号２１を生成する。この漏洩指示信号は、被試験部品１３に漏れがあることを作 業者に通知するために使用され得るか、又は知られている被試験部品１３上の照 射区域２８の位置と共に、正確な漏洩場所を決定するために使用され得る。

被試験部品上でレーザビームの二次元ラスク走査を実施する後方散乱吸収ガス撮 像（ＢＡＧ　Ｉ）システムの２つの実施例が、本発明の共同発明者であるＭ　ｃ 　Ｒａ　ｅによる米国特許出願第４，５５５．６２７号に示されている。同期走 査機構は従来の赤外撮像装置（ＩＲｉｍａｇｅｒ）　（例えばＩｎｆｒａｍｅｔ ｒｉｃｓ、Ｉｎｃ、製のモデル５００ＬＦａｓｔ　５ｃａｎ　ＩＲＴｈｅｒｍａ ｌ　Ｉｍａｇｅｒ）の変形であり、現在レーザ撮像システム（Ｌ　Ｉ　Ｓ）のＧ ａ５Ｖｕｅ漏洩場所決定システムで使用されている。

本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲を逸脱せずに本発明に種々 の変形を加えてもよい。本発明の範囲を逸脱せずに特に明記した実施例に変形を 加えることができ、これらの変形は以下の請求の範囲によってのみ限定されるも のとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１．気密性又は液密性の被試験部品から発生するガス漏れの迅速な検出及 び／又は場所決定のための装置であって、 漏洩するガスによって強く吸収される波長の平行化された光線を提供するための 光源と、 前記光源と光学的に整列された、前記光線を前記被試験部品上で所与のパターン にて走査し且つ走査位置決め信号出力を提供するためのビーム走査手段と、前記 ガス漏れが前記光線を吸収することによって発生した音響波を検出し且つアコー スチックエミッションに比例する電気信号を生成するための音響検出手段と、前 記ビーム走査手段及び前記音響検出手段に接続された、バックグラウンドアコー スチックエミッションからガス漏れアコースチックエミッションを取出し且つ漏 洩指示信号を生成するための信号処理手段 とを含んでいる装置。 請求項２．前記ガス漏れが被試験部品内に注入された六フッ化硫黄からなる請求 項１に記載の装置。 請求項３．前記光源がレーザを含む請求項１に記載の装置。 請求項４．前記レーザが１０．５５１４ミクロンの波長で作動するＣＯ２レーザ を含む請求項３に記載の装置。 請求項５．前記被試験部品が、前記光線の二次元ラスタ型走査によって照射され るように位置決めされている請求項１に記載の装置。 請求項６．前記光線及びビーム走査が、後方散乱吸収ガス撮像（ＢＡＧＩ）シス テムによって提供される請求項５に記載の装置。 請求項７．前記被試験部品が一次元で前記光線によって走査されるように位置決 めされ、前記部品が横断方向に移動して、漏れ検出への完全な合致を提供する請 求項１に記載の装置。 請求項８．前記光源が、前記被試験部品上の又は該部品よりも僅かに広い区域を 照射するために焦点に集められた変調又はパルス光源を含み、前記アコースチッ クエミッションが前記光源の変調周波数又はパルス繰り返し率と同調する請求項 １に記載の装置。 請求項９．気密性又は液密性の被試験部品から発生するＳＦ６トレーサガスの漏 れの迅速な検出及び場所決定のための装置であって、 １０．５５１４ミクロンの波長で作動するＣＯ２レーザと、ラスタ走査機構を含 み、前記レーザと光学的に整列された、前記レーザを前記被試験部品上で走査し 且つ走査位置決め信号出力を提供するためのビーム走査手段と、前記の漏洩する ＳＦ６トレーサガスが前記レーザビームを吸収することによって発生した音響波 を検出し且つアコースチックエミッション信号を生成するための音響検出手段で あって、指向性ショットガンマイクロホン又は感知式マイクロホンと放物面反射 装置機構とからなる音響検出手段と、 前記ビーム走査手段及び前記検出手段に接続された、バックグラウンドアコース チックエミッションを除去し且つ漏洩位置指示信号を生成するための信号処理手 段とを含んでいる装置。 請求項１０．気密性又は液密性の被試験部品から発生するガス漏れの検出及び／ 又は場所決定のための方法であって、前記被試験部品内にトレーサガスを注入し 、トレーサガスによって強く吸収される波長の平行化された光線を所与のパター ンで走査して、所与の視野での前記光線の場所を示すビーム位置信号を生成し、 前記トレーサガスが前記光線を吸収することによって発生したアコースチックエ ミッションを検出し、且つ検出された前記音響波をビーム位置信号に関連して処 理して、漏れの存在及び／又は場所を指示する漏洩指示信号を提供する 段階を含んでいる方法。 請求項１１．前記所与のパターンが前記光線の二次元走査パターンからなる請求 項１０に記載の方法。 請求項１２．前記所与のパターンが前記部品の横断方向の移動及び前記光線によ る一次元走査からなる請求項１０に記載の方法。 請求項１３．パルス光源が被試験部品を完全に又は部分的に照射するように整列 されて、前記光線の変調周波数又はパルス速度と同調するアコースチックエミッ ションを前記漏洩するトレーサガスから生じる請求項１０に記載の方法。