KR20110070986A - 추적 가스 리크 검출기 및 추적 가스 리크 검출기의 교정 방법 - Google Patents

추적 가스 리크 검출기 및 추적 가스 리크 검출기의 교정 방법 Download PDF

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KR20110070986A
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leak detector
trace gas
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케빈 플린
찰스 도다이
다니엘 제이 가이스트
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애질런트 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

추적 가스를 함유하는 테스트 샘플을 수신하고 진공 펌프에 결합된 테스트 포트와, 추적 가스를 함유하는 교정 샘플을 제공하는 교정 리크와, 테스트 포트에 결합되어 동작 모드에서 상기 테스트 샘플을 수신하고, 교정 리크 밸브를 통해서 교정 리크에 결합되어 교정 모드에서 교정 샘플을 수신하되, 제어가능하게 상기 추적 가스를 전송하고 필터링된 샘플을 제공하는 질량 필터와, 필터링된 샘플에서 추적 가스를 검출하는 검출기와, 검출기 신호에 응답하여 누출율의 측정된 값을 제공하는 프로그램가능 이득 구성요소와, 모드 제어 신호에 응답하여, 둘 이상의 작동 범위에 걸쳐 상기 교정 리크를 사용하여 리크 검출기를 교정 모드에서 동작시키도록 구성되는 제어기를 포함하는 가스 리크 검출기를 구비하는 교정 시스템에 의해 추적 가스 리크 검출법이 제공된다.

Description

추적 가스 리크 검출기 및 추적 가스 리크 검출기의 교정 방법{CALIBRATION SYSTEMS AND METHODS FOR TRACER GAS LEAK DETECTION}
본 발명은 추적 가스(tracer gas)를 사용하여 밀봉부(sealed parts)에서의 리크(leak)의 검출에 관련된 것으로서, 보다 구체적으로, 리크 검출기(leak detector)의 교정(calibration)을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 둘 이상의 리크 검출 범위가 단일의 교정 리크(a single calibrated leak)를 사용하여 교정된다.
헬륨 또는 수소를 추적 가스로서 사용하는 리크 검출법이 공지되어 있다. 헬륨은 밀봉된 테스트 피스(test piece) 내의 가장 작은 리크를 통과한다. 테스트 피스 내의 리크를 통과한 후, 헬륨은 리크 검출 장치 내로 흡입되어 측정된다. 측정된 헬륨의 양은 누출율(leak rate)에 해당한다. 한 접근 방안에서, 테스트 피스의 내부는 리크 검출기의 테스트 포트에 결합된다. 헬륨은 테스트 피스의 외부에 분무되고, 리크를 통해서 내부로 흡입되고, 리크 검출기에 의해 측정된다. 다른 접근 방안에서는, 테스트 피스는 헬륨으로 가압된다. 리크 검출기의 테스트 포트에 접속된 스니퍼 프로브(sniffer probe)가 테스트 피스의 외부 주위에서 이동한다. 헬륨은 테스트 피스의 리크를 통과하며, 프로브로 흡입되어, 리크 검출기에 의해 측정된다.
산업의 요구 제한조건을 만족시키기 위하여, 추적 가스 리크 검출기는 세밀한 교정이 가능하고 소유자에게 저비용을 부담하게 할 필요가 있다. 리크 검출기의 세밀한 교정은 리크 탐지기가, 알려진 누출율을 갖는 사전결정된 값의, 교정 리크(calibrated leak)로도 알려진, 교정 리크 표준(calibrated leak standard)을 나타낼 때까지 시스템 이득값을 조절함으로써 얻어질 수 있다. 다양한 응용에서, 누출율은 E-03 std-cc/sec 내지 E-09 std-cc/sec 또는 간단히 E-03 내지 E-09로도 지칭되는, 10-3 std-cc/sec 내지 10-9 std-cc/sec와 같이 여러 디케이드(decade)에 걸쳐서 측정된다.
종래 기술의 추적 가스 리크 검출기가 도 1에 도식적으로 도시된다. 테스트 포트(30)는 역류 밸브(contraflow valve)(32, 34)를 통해 전방 펌프(forepump)(36)에 결합된다. 리크 검출기는 또한 고정된 회전 속도를 갖는 터보펌프(터포분자 진공 펌프)(40)를 포함한다. 테스트 포트(30)는 중간단 밸브(42, 44)를 통해서 전방 라인(foreline)(48)과 인렛(inlet)(50) 사이의 터보펌프(40) 상에 위치한 중간단 포트(46)에 결합된다. 전방 라인 밸브(52)는 전방 펌프(36)를 터보펌프(40)의 전방 라인(48)에 결합시킨다. 터보펌프(40)의 인렛(50)은 질량 분석계(mass spectrometer)(60)의 인렛에 결합된다. 리크 검출기는 테스트 포트 열전대(test port thermocouple)(62)와 통기 밸브(vent valve)(64) -양자는 모두 테스트 포트(30)에 결합됨-, 교정 리크 밸브(calibrated leak valve)(68)를 통해 터보펌프(40)의 중간단 포트(46)에 결합되는 교정 리크(calibrated leak)(66) 및 전방 펌프(36)에 결합된 밸러스트 밸브(ballast valve)(70)를 더욱 포함한다.
동작시에, 전방 펌프(36)는 처음에 전방 라인 밸브(52)와 통기 밸브(64)를 폐쇄하고 역류 밸브(32, 34)를 개방함으로써 테스트 포트(30)와 테스트 피스(또는 스니퍼 프로브)를 비운다(evacuate). 테스트 포트(30)에서의 압력이 터보펌프(40)의 전방 라인 압력과 호환할 수 있는 레벨에 도달하면, 전방 밸브(52)가 개방되어, 테스트 포트(30)를 터보펌프(40)의 전방 라인(48)에 접속시킨다. 헬륨 추적 가스는 테스트 포트(30)로 흡입되어 역방향으로 터포 펌프(40)를 통해 질량 분석계(60)로 확산한다. 터보펌프(40)가 샘플 내의 보다 무거운 가스에 대해 훨씬 낮은 역확산율(reverse diffusion rate)를 갖기 때문에, 터보펌프(40)는 이들 가스를 질량 분석계(60)로부터 차단하여, 이에 따라 효과적으로, 터보펌프(40)를 통해서 질량 분석계(60)로 확산하고 측정되는, 추적 가스를 분리한다.
도 1의 종래 기술의 리크 검출기에서, 교정은 각각의 디케이드의 측정 범위에 대해 상이한 교정 리크(66)를 사용하여 수행된다. 즉, 적절한 누출율을 가지는 교정 리크가 교정되는 측정 범위의 디케이드에 따라 선택된다. 선택된 교정 리크는 시스템에 부착되고 질량 분석계(60)로부터의 신호가 측정된다. 교정 리크의 측정된 값과 알려진 값 사이의 차이가 선택된 측정 범위의 디케이드에 대한 교정 값은 제공한다.
상이한 교정 리크가 도 1의 리크 검출기 내의 각각의 측정 범위의 디케이드를 교정하는데 사용된다. 즉, 사용자가 E-05 누출율 범위 내에서 일 부분의 리크 테스트를 수행하고 있다면, 테스트 시스템은 E-05 범위 교정 리크를 사용하여 교정된다. 사용자가 E-06 누출율 범위 내에서 리크 테스트를 수행하고 있다면, E-06 범위 교정 리크가 사용된다. 리크 테스트되는 다양한 상이한 부분을 갖는 생산 공장에 있어서, 상이한 리크 테스트 시스템이 동시적으로 상이한 누출율 범위에서 동작할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 리크 검출기에 대한 교정 과정은 측정된 누출율을 알려진 리크 표준과 동일하게 보상하기 위하여 시스템 이득값의 설정을 요구한다. 리크 측정 능력은 특정 교정점(calibration point) 이상의 또는 이하의 일부 범위에 걸쳐서 선형적으로 스케일될 수 있다. 그러나, 정확성이 중요한 경우에, 특정 디케이드의 측정을 위한 교정 리크 표준이 사용된다. 교정 리크 표준은 각각 수백 달러의 비용이 들고, 주기적인 교정을 필요로 한다. 리크 표준을 획득하고 재교정하고 교정 추적 기록을 유지하는데 소모되는 비용은 산업 사용자에게 막대한 비용이다.
따라서, 추적 가스 리크 검출에 대한 향상된 교정 방법 및 시스템에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 제 1 양상에 따르면, 추적 가스 리크 검출기는, 추적 가스를 함유하는 테스트 샘플을 수신하는 테스트 포트와, 테스트 포트에 결합된 진공 펌프와, 추적 가스를 함유하는 교정 샘플을 제공하는 교정 리크와, 테스트 포트에 결합되어 동작 모드에서 테스트 샘플을 수신하고, 교정 리크 밸브를 통해서 교정 리크에 결합되어 교정 모드에서 교정 샘플을 수신하되, 제어가능하게 추적 가스를 전송하고 필터링된 샘플을 제공하는, 질량 필터와, 필터링된 샘플에서 추적 가스를 검출하고 검출기 신호를 제공하는 검출기와, 검출기 신호에 응답하여 누출율의 측정된 값을 제공하는 프로그램가능 이득 구성요소와, 모드 제어 신호에 응답하여, 리크 검출기를 교정 모드에서 동작시키도록 구성되고, 둘 이상의 작동 범위에 걸쳐 교정 리크를 사용하여 리크 검출기를 교정하도록 구성되는 제어기를 포함한다.
본 발명의 제 2 양상에 따르면 추적 가스 리크 검출기의 교정 방법은 교정 리크로부터 교정 리크 밸브를 통해서 질량 필터로 교정 샘플을 공급하는 단계 -질량 필터는 교정 샘플에 응답하여 필터링된 샘플을 제공함- 와, 필터링된 샘플을 검출하고 검출기 신호를 제공하는 단계와, 측정된 누출율 값을 제공하도록 검출기 신호를 프로그램가능 이득 구성요소로 조절하는 단계와, 교정 리크에 대하여 제 1 측정 값을 교정하여 제 1 작동 범위에 대한 제 1 교정 값을 결정하는 단계와, 교정 리크에 대하여 제 2 측정 값을 교정하여 제 2 작동 범위에 대한 제 2 교정 값을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 본 명세서에 참조로서 포함되는, 첨부하는 도면을 참조한다.
도 1은 종래 기술의 추적 가스 리크 검출기의 도식적인 블럭도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 추적 가스 리크 검출기의 도식적인 블럭도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도 2에 도시된 시스템 제어기의 블럭도,
도 4는 상이한 리크 검출 작동 범위에 대한 교정 및 동작 파라미터를 도시하는 표,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도 2에 도시된 리크 검출기의 동작을 도시하는 흐름도.
본 발명의 실시예에 따른 추적 가스 리크 검출기가 도 2에 도식적으로 도시된다. 테스트 포트(130)는 테스트 포트 밸브(132)를 통해서 제어가능한 질량 필터(controllable mass filter)로서 기능하는 터보펌프(터보분자 진공 펌프)(14)의 전방 라인(148)에 결합되어 있다. 테스트 포트(130)는 또한 전방 펌프(136)에 결합되어 있다. 피검체(unit under test)(134) 또는 스니퍼 프로브(도시되지 않음)가 테스트 포트(130)에 접속될 수도 있다. 터보펌프(140)의 인렛(150)이 추적 가스 검출기로서 기능하는 질량 분석계(160)의 인렛에 결합된다. 검출기 신호(180)가 질량 분석계(160)에 의해 시스템 제어기(182)로 공급된다. 교정 리크(166)는 교정 리크 밸브(168)을 통해서 터보펌프(140)의 중간 포트(intermediate port)(146)에 결합된다. 피드백 제어를 갖는 가변 속도 터보펌프 제어기(190)는 후술되는 바와 같이 터보펌프(140)의 속도를 제어한다. 시스템 제어기(182)는, 후술하는 바와 같이, 검출기 신호(180)를 수신하고 프로그램가능 이득을 인가하는 프로그램가능 이득 구성요소(programmable gain element)(192)를 포함한다. 시스템 제어기(182)는 질량 분석계(160), 터보펌프(140), 교정 리크 밸브(168), 터보펌프 제어기(190) 및 교정 리크(166)를 포함하는 리크 검출기의 구성요소를, 후술하는 바와 같이 동작 및 교정 모드 동안에 제어한다.
다른 실시예에서, 선택적인 외부 교정 리크(170)가 밸브(172)를 통해서 테스트 포트(130)에 접속될 수 있다. 밸브(172)는 직접 테스트 포트(130)에 접속될 수도 있고 또는 피검체(134)에 접속될 수도 있다. 외부 교정 리크(170)는 교정 동안에 사용될 대안적인 리크 표준을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 시스템 제어기(182)의 간단한 블럭도가 도 3에 도시된다. 시스템 제어기(182)는 후술되는 바와 같이 동작 및 교정 모드 모두에서 리크 검출기를 제어하는 제어기(220)를 포함한다. 제어기(220)는 마이크로 프로세서 또는 프로레서 제어기와 같은 프로그램가능 디지털 프로세서일 수도 있고, 또는 ASIC 또는 하드와이어드(hardwired) 회로와 같은 하드와이어드 제어기일 수도 있다. 필요하다면, 제어기(220)로의 아날로그 입력은 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 입력 신호로 변환될 수도 있고, 제어기(220)의 디지털 출력은 하나 이상의 디지털-아날로그 변환기에 의해 아날로그 신호로 변환될 수도 있다.
프로그램가능 이득 구성요소(222)는 질량 분석계(160)로부터 검출기 신호(180)를 수신하고 이득 조절된 디지털 값을 제어기(220)로 공급한다. 제어기(220)는 이득 제어 신호를 프로그램가능 이득 구성요소(222)로 공급한다. 프로그램가능 이득 구성요소(222)는 시그마 델타 변환기, 이중적분형 축차근사 변환기(dual slope successive approximation converter), 또는 플래시 컨버터(flash converter)와 같은, 아날로그 디지털 변환기(ADC)일 수 있으며, 이들은 수 밀리 초(miliseconds) 이내에 시스템 이득을 변경시키는 능력 및 높은 수준의 정확성으로 단일의 교정 리크만을 사용하여 정확한 리크 검출기 교정을 다수의 디케이드의 작동 범위(working range)에 걸쳐서 얻어내는 능력을 갖춘다.
제어기(220)는 리크 검출기의 동작 모드 또는 교정 모드를 선택하는 모드 제어 신호를 수신한다. 동작 모드는 사용자 선택가능할 수도 있다. 제어기(22)는 교정 리크(166) 또는 교정 리크(170)의 알려진 누출율을 표시하는 교정 리크 값과, 교정 리크의 현재 온도를 표시하는 온도 값을 또한 수신한다. 교정 리크(166)의 누출율은 온도의 함수로 변화할 수도 있음이 이해될 것이다. 제어기(220)는 또한 사용자에 의해 선택된 작동 범위를 수신한다. 후술되는 바와 같이, 리크 검출기는, 모두 단일의 교정 리크로서 교정될 수 있는, 다수의 누출율의 작동 범위에 걸쳐서 동작할 수 있다.
제어기(220)는 교정 리크 값 제어 신호를 교정 리크(168)에 출력하여 교정 모드에서의 동작을 제어한다. 터보펌프 속도 제어 신호는 동작 모드와 교정 모드에서의 터보펌프(140)의 회전 속도를 제어하도록 터보펌프 제어기(190)에 공급된다. 질량 분석계 조정 신호는 최대 검출시 신호에 대해 질량 분석기의 조정(tuning)을 제어하도록 질량 분석계(160)에 공급된다. 후술하는 바와 같이 교정된, 측정된 누출율은 디스플레이(230)로 출력된다.
도 2를 다시 참조하면, 터보펌프(140)는 헬륨과 같은 출적 가스는 질량 분석계(160)로 전달하고 실질적으로 샘플 내의 무거운 가스들을 차단하는 질량 필터의 일 실시예이다. 터보펌프(140)의 추적 가스 전달은 그의 회전 속도를 조절함으로써 변화될 수 있다. 보다 빠른 회전 속도는 보다 적은 추적 가스를 질량 분석계(160)로 전달하고, 역으로, 보다 느린 회전 속도는 보다 많은 추적 가스를 질량 분석계(160)로 전달한다. 터보펌프(140)는, 가벼운 추적 가스는 역방향으로 전방 라인(148)에서 터보펌프(140)의 인렛(150)으로 통과하고 무거운 가스는 실질적으로 차단되는, 소위 "역류(contraflow)" 구성에서 동작한다.
터보펌프 제어기(190)는 선택된 회전 속도에서 터보펌프를 통과하는 헬륨이 일정하도록 실제 RPM을 측정 및 보고하고 선택된 설정을 매우 정확하게 유지하는 소프트웨어 제어 피드백 루프를 구비한다. 정상적인 리크 테스트 동작 동안에, 터보펌프 RPM은 자동적으로 제어기(220)에 의해 주어진 작동 범위에 대해 사전 정의된 회전 속도로 설정된다. 선택된 속도는 소망하는 작동 범위에서 동작하기 위하여 적절한 정도의 헬륨의 질량 필터링을 제공한다.
질량 필터의 다른 실시예가 본 발명의 범위 내에서 활용될 수 있다. 예를 들어, 다른 타입의 진공 펌프가 역류 구성에서 활용될 수 있다. 적합한 진공 펌프는 추적 가스와 같은 가벼운 가스에 대한 저 압축 비율 및 무거운 가스에 대한 고 압축 비율에 의해 특징으로 한다. 예시는 분자 드래그 진공 펌프(molecular drag vacuum pump), 터보분자 단(stage)과 분자 드래그 단의 조합을 활용하는 하이브리드 진공 펌프, 및 확산 펌프가 있다. 각 경우에서, 질량 필터에 의한 추적 가스의 전송은, 회전 속도와 같은 질량 필터의 파라미터를 리크 검출기의 상이한 작동 범위에 대해 조절함으로써, 변경될 수 있다.
다른 실시예에서, 질량 필터는 추적 가스 투과성 부재(permeable member), 예컨대 투과성 막(permeable memebrane)일 수 있다. 투과성 부재는 헬륨에 대해 투과성일 수 있고, 투과성 부재의 헬륨 투과율(permeability)는 제어가능할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 투과성 부재는 석영 부재(quartz member)를 포함한다. 질량 필터는 투과성 부재와 열 접촉하는 발열체(heating element)를 또한 포함할 수 있으며, 제어기는 발열체를 제어하도록 구성될 수 있다. 투과성 부재는 추적 가스를 실질적으로 통과 또는 투과시키고 다른 가스, 액체 또는 입자를 실질적으로 차단한다. 기재한 바와 같이, 석영은 헬륨에 대해 투과성을 갖는 물질의 일 예이다. 석영의 헬륨 투과율은 온도에 따라 변한다. 300℃ 내지 900℃ 범위의 상승된 온도에서는, 석영은 상대적으로 높은 헬륨 투과율을 갖는다. 실온에서는, 석영은 상대적으로 낮은 헬륨 투과율을 갖는다. 투과성 부재의 온도는 리크 검출기의 상이한 작동 범위에서 헬륨의 투과율 또는 전송을 제어하도록 조절될 수 있다.
질량 필터는 추적 가스가 검출 시스템 내로 유입되도록 허용하는 한편 실질적으로 다른 가스의 흐름은 차단하여, 신호 측정을 위해 검출기에서의 추적 가스의 고농도를 생성한다. 중간 포트(146)는 전방 라인(148)과 비교할 때 대략 10 배 이상 많은 추적 가스의 흐름을 검출기로 제공한다. 질량 필터는 추적 가스의 전송을 제어하는 전자 피드백 루프(electronic feedback loop)에 의해 제어된다. 회전하는 진공 펌프의 경우 회전 속도는 제어될 수도 있고, 한편 온도는 투과성 막의 경우 제어될 수도 있다.
질량 분석계(160)는 리크 검출 시스템에서 통상적으로 사용되는 검출기이다. 그러나 다른 검출기, 예컨대 냉음극 센서(cold cathode sensor), 이온 펌프, 수소 센서 및 샘플에서의 추적 가스의 농도를 검출할 수 있는 다른 검출기가 활용될 수도 있다.
단일의, 온도 보상된 교정 리크(166)가 교정 리크 밸브(168)과 같이 리크 검출기에 설치되어서 진공 시스템 및 검출기 내로의 추적 가스의 흐름을 활성화 또는 비활성화시킨다. 도 2의 실시예에서, 교정 리크(166)는 터보펌프(140)의 중간 포트에 설치된다. 중간 포트(146)는 대략 10배의 신호 강도가 전방 라인(148)과 중간 포트(146) 사이에서 실현되도록 설계된다. 알려진 교정 리크를 사용하는 리크 검출기의 교정 동안에, 정확한 "시스템 이득" 값이 정확한 절대 누출율 정확도(precise absolute leak rate accuracy)를 제공하도록 결정된다.
본 명세서에서 기재되는 실시예에서, 교정 리크(166)는 E-07 헬륨 리크이고, 이는 저비용 생산에 적합하고 산업 작동 범위(industrial working range)의 대략 중간에 해당한다. 교정 리크는 주위 온도와 교정 리크의 값이 측정될 때의 온도 간의 차이를 조절하도록 제어기(220)에 의해 온도 보상된다. 다른 교정 리크 값이 특정 애플리케이션 요건을 만족시키기 위해 사용될 수 있다.
프로그램가능 이득 구성요소(222)가 동작 모드 및 교정 모드 양쪽 모두에서 검출기 신호(180)를 제어하기 위해 사용된다. 프로그램가능 이득 구성요소는 시그마 델타 변환기, 이중적분형 축차근사 변환기, 또는 플래시 컨버터와 같은, 아날로그 디지털 변환기(ADC)일 수 있으며, 이들은 수 밀리 초(miliseconds) 이내에 시스템 이득을 변경시키는 능력 및 높은 수준의 정확성으로 단일의 교정 리크만을 사용하여 정확한 리크 검출기 교정을 다수의 디케이드의 작동 범위에 걸쳐서 얻어내는 능력을 갖춘다.
리크 검출기의 다양한 작동 범위와 동작 모드 및 교정 모드에 대해 해당하는 파라미터를 도시하는 표가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서, 각각의 작동 범위는 4개의 누출율 디케이드를 커버하며, 각각의 작동 범위의 우측 열은 측정을 위해 활용되지 않는다. 도 4의 실시예에서, 사용자는 E-03 부터 E-06 까지의 누출율을 커버하는 제 1 작동 범위, E-04 부터 E-07 까지의 누출율을 커버하는 제 2 작동 범위, E-05 부터 E-08 까지의 누출율을 커버하는 제 3 작동 범위, 및 E-06 부터 E-09 까지의 누출율을 커버하는 제 4 작동 범위를 선택할 수 있다. 각 동작 범위에 대한 터보펌프 회전 속도가 도 4에 도시되어 있다. 또한, 각 작동 범위는 프로그램가능 이득 구성요소(222)의 동작 이득 및 교정 이득과 연관되어 있다. 터보펌프(140)의 회전 속도와 프로그램가능 이득 구성요소(222)의 이득은 교정 리크(166)에 의해 생산되는 디지털 값(224)이 제어기(220)의 처리 회로의 동적 범위 내에 있도록 선택된다. 전술한 바와 같이, 터보펌프(140)의 회전 속도를 줄이는 것은 터보펌프를 통한 질량 분석계(160)로의 추적 가스의 전송을 증가시킨다. 몇몇 경우에 있어서, 교정 이득은 동작 이득보다 낮다. 이는, 적어도 부분적으로는, 전방 라인(148)으로부터 질량 분석계(160)로의 추적 가스의 전송과 비교하여 교정 리크(166)로부터 질량 분석계(160)로 추적 가스의 많은 전송을 초래하는, 교정 리크(166)가 터보펌프(140)의 중간 포트(146)에 접속되어 있다는 사실로부터 초래한다.
본 발명의 실시예에 따라 교정 모드에서의 리크 검출기의 동작을 도시하는 흐름도가 도 5에 도시된다. 리크 검출기는 원하는 기능, 예컨대 정상 동작 또는 교정을 수행하도록 설정된다. 블럭(310)에 표시된 바와 같이, 제어기(220)의 소프트웨어가 정상 리크 테스트 동작 동안에 사용될 기설정된 동작 이득 값들을 유지한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 동작 이득 값은 사용자에 의해 선택된 작동 범위에 따라 변경된다. 블록(312)에 도시되는 바와 같이, 제어기(220)의 소프트웨어는 기설정된 교정 이득 값을 유지하고 사용자에 의해 선택된 작동 범위에 따라 교정 이득 값을 조절한다. 소프트웨어는 선택된 동작 모드 및 선택된 작동 범위에 따라,자동적으로 이득 값을 동작 이득에서 교정 이득으로 변경한다. 블록(316)에 도시된 바와 같이, 제어기(220)는 각 작동 범위에서 리크 테스트 동작에 필요한 질량 필터의 추적 가스 전송(질량 필터를 통해서 검출기로 전달되는 추적 가스의 양)을 제어한다. 가변 질량 여과(variable mass filtration)는 리크 검출기 시스템의 작동 범위에 대해 넓은 범위의 가능한 누출율을 스케일한다. 질량 필터의 추적 가스 전송은, 예컨대, 터보분자 펌프의 회전 속도 또는 투과성 부재의 온도를 변경시팀으로써 달성될 수 있다. 블럭(314)에 도시되는 바와 같이, 동작 모드 또는 교정 모드는 사용자 입력에 대응하여 선택된다. 블럭(318)에 도시되는 바와 같이, 교정 리크 밸브(168)는 선택된 모드에 따라 제어되고 교정 과정의 다양한 단계 동안에 개방될 수도 폐쇄될 수도 있다. 이러한 설정 동작은 리크 검출기가 선택된 작동 범위에서 교정을 수행하도록 한다.
단계(320)에서, 교정 리크(166)의 온도가 측정되고 저장되며, 단계(322)에서, 교정 리크의 온도-보상된 값이 계산된다. 제어기(220)는 누출율의 변화를 교정 리크의 온도의 함수로 저장하고 교정 시의 주위 온도에 대해 자동적으로 교정 리크 값을 보상한다. 단계(324)에서, 제어기는 전자 노이즈 레벨(electronics noise level)에 기초하여 오프셋 값을 측정하고 저장한다. 단계(326)에서, 교정 리크 밸브(168)는 개방되고 질량 분석계(160)는 단계(328)에서 검출기 신호를 최대화하도록 조정(tune)된다. 조정은 추적 가스 이온에 적용되는 자기장을 변경시키거나, 또는 실트(silt)를 통과해서 검출되는 추적 가스 이온의 수를 최대화하도록 질량 분석계 내의 이온 전압을 조절함으로써 달성될 수 있다.
단계(330)에서, 교정 리크 밸브(168)는 폐쇄되고, 단계(332)에서, 주위 배경 신호(ambient background signal)가 측정되고 저장된다. 추적 가스 배경 신호는 정상 동작 동안에 효과적으로 배경 신호를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 단계(334)에서, 프로그램가능 이득 구성요소(222)의 이득이 선택된 작동 범위에 대한 교정 이득 값으로 변화되고, 교정 리크 밸브(168)이 단계(336)에서 개방된다. 교정 리크(166)에 의해 생산된 추적 가스 신호는 단계(338)에서 측정된다. 단계(340)에서, 측정된 추적 가스 신호는 리크 검출기 시스템을 교정하기 위해 사용된다. 구체적으로, 측정된 교정 리크의 값과 알려진 교정 리크의 값이, 온도 보상된 알려진 누출율을 측정된 누출율로 나누고 배경 신호 및 전자 오프셋(electronic offset)에 대해 보정(correct)하여 정의되는 "시스템 이득"을 결정함으로써 시스템을 교정하는데 사용된다. 단계(348)에서 동작 모드의 테스트 피스의 측정 동안에, 측정된 값은 계산된 시스템 이득을 곱하여 실제 누출율을 디스플레이한다.
단계(342)에서, 교정 리크 밸브(168)는 폐쇄되고, 단계(344)에서, 프로그램가능 이득 구성요소(222)의 이득이 동작 이득 값으로 변화된다. 제어기는 디폴트 동작 및 교정 이득 값을 사용자가 선택한 누출율 작동 범위에 기초하여 자동적으로 설정한다. 사용자가 작동 범위를 선택하면, 제어기는 그 범위 내에서 기능하기 위해 필요한 모든 동작 파라미터를 조절한다. 사용자가 새로운 작동 범위를 선택하면, 제어기는 새로운 작동 범위에 대해 동작 파라미터를 자동적으로 재조절한다.
동작 이득 값에 대한 변화는 단계(346)에서 교정 절차의 종료를 나타낸다. 단계(348)에서 정확하고 교정된 측정 누출율이 디스플레이된다. 제어기는 검출기 신호 및 전술한 파리미터를 적절한 작동 범위로 스케일된 측정된 누출율을 계산하기 위해 사용한다.
단일의 작동 범위에 대해 교정 절차가 도시되고 설명되었다. 교정 절차는 활용되는 각각의 작동 범위에 대해서, 터보펌프의 회전 속도 및 교정 이득의 해당하는 설정으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 반복될 수 있다. 교정 절차는 임의의 시점에 수행될 수 있으며, 예컨대, 리크 검출기가 턴온될 때 초기에, 선택된 간격으로, 또는 새로운 작동 범위로 변경될 때 수행될 수 있다.
상이한 동작 범위, 상이한 교정 리크 밸브, 상이한 리크 검출기 파라미터가 본 발명의 범위 내에서 사용될 수도 있음이 이해될 수 있다. 부가적으로, 교정 절차는 외부 교정 리크(170)에서 수행될 수 있으며, 이 경우 터보펌프 회전 속도 및 교정 이득 값에 대한 적절한 변화로 상이한 위치의 교정 리크(170)를 고려한다.
시동시에, 제어기(220)의 소프트웨어는 자동적으로 동작을 위한 초기 파라미터를 로드한다. 사용자는 그래픽 디스플레이 스크린 또는 호스트 컴퓨터로부터의 전자 신호 입력을 통해 작동 범위를 선택한다. 소프트웨어는 자동적으로 시스템을 구성하기 위해 전술한 모든 동작 파라미터를 설정한다. 프로그램가능 이득 구성요소의 이득은 동작 이득 값으로 설정되고 터보펌프 회전 속도는 도 4에 도시된 바와 같이 선택된 리크 테스트 동작에 대해 설정된다. 일 실시예에 대한 동작 및 교정 이득 값이 터보펌프 회전 속도와 함께 도 4의 표에 도시되어 있다.
교정이 선택될 때, 소프트웨어는 자동적으로 하드웨어 및 전술한 파라미터를 제어하여 어떠한 작동 범위가 선택되었는지에 기반하여 사용자 요청된 교정을 수행한다. 프로그램가능 이득 구성요소의 하드웨어 이득은 동작 이득 값에서 교정 이득 값으로 자동적으로 변경된다. 이득 변경은 수 밀리 초 내에서 높은 정확도로 달성되어, E-07 범위의 리크가 4개의 가능한 누출율 작동 범위 중 어느 것에서도 판독될 수 있다. 교정 리크가 전방 라인과 비교하여 낮은 압축 비율을 갖는 터보 펌프의 상단 부근의 중간 포트에 접속되므로, 교정 리크 신호는 정상 동작 신호보다 10배 이상 크다. 이는 효과적으로 교정 리크 신호를 도 4의 표에서 하나의 디케이드만큼 시프트시킨다. 교정 모드에서의 10배의 신호와 소프트웨어를 통한 이득의 정확한 자동 제어의 조합은 하나의 교정 리크가 넓은 범위의 누출율 디케이드에서 정확한 교정을 위해 사용되는 것을 허용한다. 이득 값의 자동적 변화는 4개의 작동 범위 내에서 정확한 절대 교정(absolute calibration)을 위해 E-07 교정 리크를 통한 교정을 허용한다. 따라서, E-07 교정 리크는 사용자에 의해 선택됨에 따라 다수의 작동 범위에서 정확한 교정을 제공한다.
예를 들어, 시스템이 E-04 내지 E-07 작동 범위에서 동작하고 있을 때 교정이 선택되면, 터보펌프 회전 속도는 60,000 RPM으로 설정되고, 이득 값은 자동적으로 1의 교정 이득 값으로 변경되고, 새로운 오프셋 값이 계산되고, 검출기는 자동적으로 조정되고, 적절한 시스템 이득이 계산되어, 원하는 범위에서 정확한 절대 교정을 달성한다. 교정이 완료되면, 소프트웨어는 자동적으로 이득 값을 2의 동작 이득 값으로 되돌려 변경한다. 동작 이득에서 교정 이득으로의 이득 변경 및 되돌림은 사용자에게 투명하게 변경되며 수 밀리 초 이내에 이루어진다.
지금까지 본 발명의 적어도 일 실시예의 다양한 양상에 대해서 서술되었으며, 다양한 변경, 수정 및 향상이 당업자에게 쉽게 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 그러한 변경, 수정 및 향상은 본 개시물의 일부로 의도되며, 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 개시 및 도면은 단지 예시일 뿐이다.

Claims (20)

  1. 추적 가스 리크 검출기(tracer gas leak detector)로서,
    추적 가스를 함유하는 테스트 샘플을 수신하는 테스트 포트(test port)와,
    상기 테스트 포트에 결합된 진공 펌프(vacuum pump)와,
    상기 추적 가스를 함유하는 교정 샘플(calibration sample)을 제공하는 교정 리크(calibrated leak)와,
    상기 테스트 포트에 결합되어 동작 모드에서 상기 테스트 샘플을 수신하고, 교정 리크 밸브(calibrated leak valve)를 통해서 상기 교정 리크에 결합되어 교정 모드에서 상기 교정 샘플을 수신하되, 제어가능하게 상기 추적 가스를 전송하고 필터링된 샘플을 제공하는, 질량 필터(mass filter)와,
    상기 필터링된 샘플에서 상기 추적 가스를 검출하고 검출기 신호를 제공하는 검출기와,
    상기 검출기 신호에 응답하여 누출율(leak rate)의 측정된 값을 제공하는 프로그램가능 이득 구성요소(programmable gain element)와,
    모드 제어 신호에 응답하여, 상기 리크 검출기를 상기 교정 모드에서 동작시키도록 구성되고, 둘 이상의 작동 범위에 걸쳐 상기 교정 리크를 사용하여 상기 리크 검출기를 교정하도록 구성되는 제어기
    를 포함하는 추적 가스 리크 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 질량 필터의 전송 값 및 상기 프로그램가능 이득 구성요소의 이득 값을 상기 작동 범위의 각각에 대해 설정하고, 각 범위에서, 상기 교정 리크에 대해서 측정된 값을 교정함으로써, 둘 이상의 작동 범위에 걸쳐 상기 교정 리크를 사용하여 상기 리크 검출기를 교정하도록 구성되는
    추적 가스 리크 검출기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 필터는 제어가능한 속도를 갖는 터보분자 펌프(turbomolecular pump)를 포함하되, 상기 터보분자 펌프는 상기 검출기에 결합된 인렛(inlet)과 상기 테스트 포트에 결합된 전방 라인을 포함하는
    추적 가스 리크 검출기.
  4. 제 3 항에 있어,
    상기 제어기 및 상기 터보분자 펌프 사이에 결합되는 펌프 제어기를 더 포함하되, 상기 펌프 제어기는 상기 터보분자 펌프의 속도의 피드백 제어를 갖는
    추적 가스 리크 검출기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 교정 리크는 상기 교정 리크 밸브를 통해서 상기 터보분자 펌프의 중간 포트(intermediate port)에 결합되는
    추적 가스 리크 검출기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 교정 리크로부터 상기 중간 포트를 통한 상기 검출기로의 추적 가스의 전송은 상기 테스트 포트에서 상기 터보분자 펌프의 상기 전방 라인을 통한 상기 검출기로의 추적 가스의 전송보다 많은
    추적 가스 리크 검출기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로그램가능 이득 구성요소는 프로그램가능 이득을 갖는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는
    추적 가스 리크 검출기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 검출기는 질량 분석계(mass spectrometer)를 포함하는
    추적 가스 리크 검출기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 필터는 가벼운 가스에 대해서는 상대적으로 낮은 압축 비율을 무거운 가스에 대해서는 상대적으로 높은 압축 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 진공 펌프를 포함하는
    추적 가스 리크 검출기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 필터는 추적 가스 투과성 부재를 포함하는
    추적 가스 리크 검출기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 교정 리크 밸브, 상기 질량 필터의 전송 및 상기 프로그램가능 이득 구성요소의 이득의 제어에 의해, 상기 모드 제어 신호에 응답하여 자동적으로 교정이 수행되는
    추적 가스 리크 검출기.
  12. 추적 가스 리크 검출기의 교정 방법으로서,
    교정 리크로부터 교정 리크 밸브를 통해서 질량 필터로 교정 샘플을 공급하는 단계 -상기 질량 필터는 상기 교정 샘플에 응답하여 필터링된 샘플을 제공함- 와,
    상기 필터링된 샘플을 검출하고 검출기 신호를 제공하는 단계와,
    측정된 누출율 값을 제공하도록 상기 검출기 신호를 프로그램가능 이득 구성요소로 조절하는 단계와,
    상기 교정 리크에 대하여 제 1 측정 값을 교정하여 제 1 작동 범위에 대한 제 1 교정 값을 결정하는 단계와,
    상기 교정 리크에 대하여 제 2 측정 값을 교정하여 제 2 작동 범위에 대한 제 2 교정 값을 결정하는 단계를 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 질량 필터의 전송과 상기 프로그램가능 이득 구성요소의 이득을 상기 제 1 작동 범위에 대응하는 제 1 교정 값들로 설정하는 단계와,
    상기 질량 필터의 상기 전송과 상기 프로그램가능 이득 구성요소의 상기 이득을 상기 제 2 작동 범위에 대응하는 제 2 교정 값들로 설정하는 단계를 더 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 질량 필터는 터보분자 펌프를 더 포함하고, 상기 질량 필터의 상기 전송을 제 1 및 제 2 교정 값으로 설정하는 단계는 상기 터보분자 펌프를 제 1 및 제 2 펌프 속도로 설정하는 단계를 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 프로그램가능 이득 구성요소의 상기 이득을 제 1 및 제 2 교정 값으로 설정하는 단계는 프로그램가능 이득을 갖는 아날로그-디지털 변환기의 이득을 설정하는 단계를 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 교정 값 및 상기 제 2 교정 값을 상기 교정 리크의 주위 온도에 대해 보정하는 단계를 더 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 교정 값 및 상기 제 2 교정 값을 전자 노이즈(electronic noise)로부터 야기되는 오프셋에 대해 보정하는 단계를 더 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 교정 값 및 상기 제 2 교정 값을 배경 추적 가스(background tracer gas)에 대해 보정하는 단계를 더 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 검출기를 최대 검출기 신호에 대해 조정(tuning)하는 단계를 더 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    모드 제어 신호에 응답하여 자동적으로 상기 리크 검출기의 교정을 수행하는 단계를 더 포함하는
    추적 가스 리크 검출기의 교정 방법.
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