KR20240035745A - 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법 - Google Patents

Abstract

진공 펌프(16), 상기 진공 펌프(16)와 연결된 테스트 챔버(12), 및 상기 테스트 챔버(12)와 연결된 가스 검출기(14)를 포함하는 진공 누출 검출기의 측정 신호 평가 방법으로서, 상기 진공 누출 검출기의 시스템 시정수 τ를 결정하는 단계(여기서, 상기 시스템 시정수 τ는 시험 대상의 리크를 통해 빠져나온 가스 성분에 대한 응답으로 측정되는 신호의 시스템 관련 상승의 지속 시간, 또는 상기 시험 대상의 리크를 통해 더 이상 빠져나오지 않는 가스 성분에 대한 응답으로 측정되는 신호의 시스템 관련 하강의 지속 시간임.); 상기 가스 검출기(14)를 이용하여, 시간 t에서 상기 테스트 챔버(12)로부터 유입된 가스의 측정 신호 I(t)를 생성하는 단계; 상기 측정된 신호 I(t)를 버퍼링하는 단계; 버퍼링된 측정 신호 I(t)의 측정값과 상기 시스템 시정수 τ에 기초하여, 미래 시간 t+t0에 대해 예측되는 측정 신호 (t+t0)를 형성하는 단계(여기서 t0 < τ); 상기 가스 검출기(14)를 이용하여, 시간 t+t0에서 상기 테스트 챔버(12)로부터 유입된 가스의 측정 신호 I(t+t0)를 생성하는 단계; 상기 측정 신호 I(t+t0)와 상기 예측된 측정 신호 (t+t0) 사이의 차이를 형성하는 단계; 상기 형성된 차이에 기초하여, 상기 시험 대상의 누설 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법

본 발명은 진공 누출 검출기의 측정신호를 평가하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

진공 누출 검출기는 시험 대상의 누출을 감지하기 위해 사용되는 것으로, 이를 위해, 진공 누출 검출기는 시험 대상을 수용하는 테스트 챔버와, 상기 테스트 챔버의 배기를 위해 연결되는 진공펌프와, 상기 테스트 챔버에 연결되어 이로부터 흡입되는 가스를 분석하기 위한 가스 검출기를 포함한다. 특히, 상기 가스 검출기는 상기 시험 대상에 존재하는 테스트 가스를 감지하도록 설계되는바, 상기 테스트 가스는 상기 시험 대상의 리크(leak)를 통해 상기 테스트 챔버에 도달하여 상기 가스 검출기로 공급된다.

사용된 테스트 가스(대부분 헬륨)에 대한 진공 누출 검출기의 흡입 용량은 사용되는 진공펌프에 의해 결정되며, 또한 테스트 챔버와의 연결 부위의 단면과 길이, 즉 상기 테스트 챔버와 가스 검출기 사이의 가스 전도 경로의 부피에 의해 결정된다. 이러한 유효 테스트 가스 흡입 용량은 시험 대상의 부피에 대한 상기 진공 누출 검출기의 시스템 시정수(system time constant)를 결정한다.

시스템 시정수는 가스 센서에서 가스 성분에 응답하여 측정된 신호의 시스템 관련 상승의 지속 시간 또는 상기 가스 센서에서 더 이상 존재하지 않는 가스 성분에 응답하여 측정된 신호의 시스템 관련 하강의 지속 시간이다. 여기서, 가스 센서에서의 상기 가스 성분은 전형적으로 리크(leak)를 통해 빠져나온 테스트 가스 성분이며 누출 감지를 위해 검출되어야 하는 대상이다.

일반적으로, 시스템 시정수는 측정 신호가 값의 1/e로 떨어지거나 측정 신호가 값의 (1-1/e)만큼 올라갈 때까지, 리크가 누출 가스를 분사하거나 개방될 때 또는 리크가 더 이상 분사하지 않거나 닫힐 때까지 경과하는 시간으로 가정한다. 단순화 하자면, 진공 누출 검출기의 진공 시정수(vacuum time constant)도 시스템 시정수로 가정될 수 있다. 진공 시정수는 시험 대상 또는 테스트 챔버의 부피를 진공 누출 검출기의 유효 흡입 용량으로 나눈 값과 같다.

상기 흡입 용량은 펌프를 크게 하거나 부피를 크게 하거나 단면을 크게 함으로써 높일 수 있고, 이에 따라 용량/성능 및 응답 시간이 향상되지만, 펌프의 부피, 단면, 크기를 원하는만큼 늘릴 수는 없으며, 그에 따라 발생하는 누출 신호의 진폭이 큰 규모로 줄어들게 되어 누출 감지를 더 어렵게 만든다.

본 발명의 목적은 응답 시간을 단축하여 향상된 신호 평가를 가능하게 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 상기 방법은 청구항 제1항의 특징에 의해 정의되고, 본 발명에 따른 상기 장치는 청구항 제16항의 특징에 의해 정의된다.

즉, 상기 방법은, 진공 펌프(16), 상기 진공 펌프(16)와 연결된 테스트 챔버(12), 상기 테스트 챔버(12)와 연결된 가스 검출기(14)를 포함하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법에 있어서, 상기 진공 누출 검출기의 시스템 시정수 τ를 결정하는 단계(여기서, 상기 시스템 시정수 τ는 시험 대상의 리크를 통해 빠져나온 가스 성분에 대한 응답으로 측정되는 신호의 시스템 관련 상승의 지속 시간, 또는 상기 시험 대상의 리크를 통해 더 이상 빠져나오지 않는 가스 성분에 대한 응답으로 측정되는 신호의 시스템 관련 하강의 지속 시간임.); 상기 가스 검출기(14)를 이용하여, 시간 t에서 상기 테스트 챔버(12)로부터 유입된 가스의 측정 신호 I(t)를 생성하는 단계; 상기 측정된 신호 I(t)를 버퍼링하는 단계; 버퍼링된 측정 신호 I(t)의 측정값과 상기 시스템 시정수 τ에 기초하여, 미래 시간 t+t0에 대해 예측되는 측정 신호 (t+t0)를 형성하는 단계(여기서 t0 < τ); 상기 가스 검출기(14)를 이용하여, 시간 t+t0에서 상기 테스트 챔버(12)로부터 유입된 가스의 측정 신호 I(t+t0)를 생성하는 단계; 상기 측정 신호 I(t+t0)와 상기 예측된 측정 신호 (t+t0) 사이의 차이를 형성하는 단계; 상기 형성된 차이에 기초하여, 상기 시험 대상의 누설 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 장치는, 진공 펌프(16), 상기 진공 펌프(16)에 연결되는 테스트 챔버(12), 상기 테스트 챔버(12)에 연결되는 가스 검출기(14)를 포함하는 진공 누출 검출기에 있어서, 상기 가스 검출기(14)의 측정 신호를 평가하기 위한 평가 유닛(22)을 더 포함하되, 상기 평가 유닛(22)은 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 진공 누출 검출기의 측정신호 평가 방법 및 장치에 의하면, 응답 시간을 단축하여 향상된 신호 평가를 가능하게 한다.

후술하는 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 설명된다:
도 1은 제1 실시예에 따른 신호 경로의 결과값을 나타낸 그래프이고,
도 2는 진공 누출 검출기의 개략도이고,
도 3은 시스템의 시스템 시정수를 결정하기 위한 그래프이고,
도 4는 시스템 시정수를 결정하기 위한 다른 그래프이고,
도 5는 시스템 시정수를 결정하기 위한 또 다른 그래프이며,
도 6은 가속화된 신호와 시스템 시정수를 설명하기 위한 필터링의 예를 표현한 그래프이다.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 진공 누출 검출기의 시스템 시정수 τ가 먼저 결정된다. 시스템 시정수 τ는 가스 검출기에서의 가스 상태의 변화에 대한 시스템의 응답 시간을 나타낸다. 따라서, 시스템 시정수 τ는 시험 대상의 리크를 통해 빠져나간 가스 성분의 검출에 응답한 시스템 관련 측정신호의 상승의 지속 시간 및/또는 더 이상 검출되지 않는 가스 누출에 기인한 가스 성분에 응답한 시스템 관련 측정신호의 하강의 지속 시간에 해당한다. 가장 간단한 경우, 시스템 시정수 τ는 예를 들어 측정 신호가 원래 신호 값의 1/e로 감쇠될 때까지 경과한 시간에 해당한다(여기서, e는 오일러 수).

시스템 시정수가 결정된 후, 테스트 챔버 내에 시험 대상을 넣고 진공 펌프에 의해 상기 테스트 챔버를 배기함으로써 실제 누출 검출이 수행된다. 테스트 챔버로부터 흡입된 가스의 측정 신호 I(t)가 현재 시간 t에서 가스 검출기에 의해 생성된다. 현재 시간 t는, 예를 들어, 새로운 측정 또는 새로운 측정 시리즈의 시작일 수도 있다. 여기서, 측정은 하나의 측정 시리즈 내에서 일정한 간격 t0을 두고 수행될 수 있다.

상기 측정 신호 I(t)로부터, 상기 시스템 시정수를 단독으로 따르는 강하 신호, 통상적으로, 지수적 강하를 가정함으로써, 미래 시간 t+t0에 대해 예측되는 측정 신호 (t+t0)가 결정된다. 이는, 예측 신호를 결정하기 위해, 측정 신호 I는 순수하게 지수적 변화 및 결정된 시스템 시정수에 상응하는 변화들을 겪는 것으로, 즉 시간 t+t0에서는, 시간 t에서 진공 기술적인 측면들로 인해 기하급수적으로 변화할 것이라 예상되는 바와 같이, 실질적으로 가스 성분들이 검출기에 존재하는 것으로 가정됨을 의미한다. 왜냐하면, 어떤 테스트 가스도 리크를 통해 테스트 용적(volume) 속으로 유입되지는 않기 때문이다. 그러므로, 시스템 시정수 τ 동안 신호 경로만을 단독으로 고려하여 예측 측정 신호 (t+t0)가 결정된다.

시스템 시정수 τ는 일반적으로 몇 초 또는 몇 십초, 예를 들어 약 30초이다. 시간 t로부터 시작하여, 시간 t+t0는 기껏해야 시스템 시정수 τ만큼의 미래에 놓이게 된다. 바람직하게, t0는 τ의 1/n이고, 여기서 n은 자연수이다. 일반적으로, 특히 측정이 일정한 간격 t0 단위로 반복되는 측정 시리즈의 경우, t0는 몇 초의 범위에 속한다.

따라서, 리크를 통해 테스트 용적으로 테스트 가스가 유입되지 않는다면, 즉 가스 검출기 상에서의 가스 상태가 변화하지 않는다면, 예측 측정 신호 (t+t0)는 τ보다 작은 시간 t0의 경과 후 상승할지 또는 하강할지를 나타낸다. 이에 따라, 예측 측정 신호 (t+t0)는 t0 시점에서의 실제 측정 신호 I(t+t0)와의 비교에 사용되어 t 시점에서와 같이 t0 시점에서도 동일한 가스 상태가 가스검출기 상에서 우세하게 나타날지 여부를 판단하고자 한 것이다.

이를 위해, 시점 t+t0에서의 예측 측정 신호 (t+t0)와 실제 측정 신호의 차이는 누출을 평가하는데 사용된다. 종래, 이러한 평가는 시스템 시정수가 경과된 후에라야 가능하다. 그러므로, 위와 같이 예측되는 측정 신호를 본 명세서에서는 가속 측정 신호(accelerated measuring signal)라고도 칭하기로 한다.

예측 측정 신호 (t+t0)는, 측정 신호 I(t)에 상수 C2를 곱함으로써, 측정된 측정 신호 I(t)로부터 형성될 수 있다, 여기서 0 < C2 < 1. 실제 측정 신호 I(t+t0)와 예측(가속) 측정 신호 (t+t0)의 비교는, 측정 신호 I(t+t0)와 가속 측정 신호 (t+t0)의 차이를 계산함으로써 수행한다.

본 발명에 따르면, 이렇게 계산된 차이, 즉 예를 들어 I(t+t0) - C2 I(t)에 기초하여, 시험 대상에 리크가 있는지 여부가 평가된다. 만약, 예를 들어, 상기 차이가 특히 크다면, 이는 누출을 나타내는 것으로 간주될 수 있다. 왜냐하면, 검출기가 이전에는 존재하지 않았던 추가적인 가스 성분을 감지하기 때문이다. 상기 차이가 특히 작다면, 이는 검출기에서 변하지 않는 상태 또는 밀폐된 시험 대상을 나타내는 것일 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 상기 차이를 특정 임계값과 비교할 수 있다. 따라서, 시스템 시정수 τ를 알고 이를 사용한다면 가속 누출 테스트, 즉 누출 감지가 가능해진다.

바람직하게는, 상기 t+t0 시점에서의 예측 측정 신호와 실제 측정 신호의 차이는 상수 C1과 곱하여, 실제 누출율(leakage rate)에 따라 수치적으로 조정될 수 있다. 상기 C1 및/또는 C2는 실수이되, 바람직하게는, C2는 0과 1 사이이고, C1은 1보다 크다.

시간 t+t0에 대하여 예측된 예측 측정 신호 (t+t0)는 측정 신호 I(t)에 대한 지수적 감쇠 특성, 즉 시스템 시정수 τ가 경과한 시간 t+τ에서 측정 신호 I(t)의 약 36%에 불과함을 가정함으로써 결정된다. 바꾸어 말하면, 신호 I(t)는 지수적으로 감쇠하여, 시간 t+τ에서는 I(t)에 계수(factor), 구체적으로 1/e 항을 포함하는 계수를 곱한 값이 된다고 가정한다. 예컨대, 시간 t+τ에서의 신호 I(t+τ)는 시간 t에서의 신호 I(t)의 1/e배에 불과할 수 있다. 이와 같이 지수적으로 감쇠하는 신호 특성으로부터, 매 추가 시간 t+t0에서의 관련 신호값, 즉 상기 신호 (t+t0)를 결정할 수 있게 되는 것이다(여기서, 0<t0<τ).

예를 들면, 누출 가스(ex. 헬륨)의 분압 측정과 같이 누출 가스의 존재 시 측정 신호가 상승하는 경우, 앞서 언급된 '차이'가 일정한 임계값을 초과하는 즉시 누출이 존재하는 것으로 간주할 수 있다. 상기 임계값은 0일 수도 있다. 누출 가스의 존재로 측정 신호가 감소하는 경우에는, 상기 차이가 일정한 임계값(ex. 0) 미만이라면, 시험 대상에 리크가 존재하는 것으로 간주할 수 있다.

상기 차이를 임계값과 비교할 때, 바람직하게는 a) 임계값보다 높은지, b) 0과 임계값 사이의 범위에 속하는지 그리고/또는 c) 0보다 작은지, 즉 음수인지 확인할 수 있다. a)의 경우에는 시험 대상에 리크가 있는 것으로 간주할 수 있고, b)의 경우에는 시험 대상에 리크가 없는 것으로 간주할 수 있으며, c)의 경우에는 예를들면 부정확한 시스템 시정수의 형태로 오류가 존재하는 것으로 간주할 수 있다.

상기 임계값은, 예를 들어 시스템 시정수의 경과 후 상기 측정 신호의 백그라운드 노이즈 형태의, 백그라운드 신호를 고려할 경우에 역할을 할 수 있다. 상기 백그라운드 신호는 신호 노이즈 및/또는 옵셋 신호에 기인할 수도 있다. 상기 옵셋 신호는, 예를 들어 누출 검출 시스템의 벽에서 내부로 유입되는 외래 가스의 가스 성분들에 기인할 수도 있다. 상기 임계값은, 예를 들어 일정 기간 동안의 백그라운드 노이즈의 평균값 또는 백그라운드 신호의 평균값의 5~10배로 설정될 수 있다.

상기 차이를 임계값과 비교할때, 측정 신호의 일시적인 이탈(outlier)을 무시하기 위해, 일정 기간 동안의 차이의 평균값을 사용하는 것이 더 유리하다.

시스템 시정수 τ는 테스트 누출, 예를 들어 스프레인 온 누출(spray-on leak)로써 결정될 수 있다. 또는, 테스트 챔버의 용적과 진공 펌프의 흡입 용량으로부터 계산될 수 있다.

시스템 시정수 τ는, 리크가 연결 또는 분리될 때, 즉 누출이 분사하거나 또는 누출의 분사가 종료될 때, 측정 신호의 상승 또는 하강 속도, 즉 측정 누출율 신호(measured leak rate signal)로부터 결정될 수 있다.

여기서, 시스템 시정수 τ는, 측정되는 신호가 테스트 누출에 의해 생성된 측정 신호의 1/e로 떨어질 때까지 경과한 시간으로부터 직접적으로 결정될 수 있거나, 혹은 측정될 수 있다. 시스템 시정수 τ는, 상기 측정 누출율 신호가 테스트 누출의 측정 신호에서 (1-1/e)배까지 올라갈 때까지 경과하는 시간으로부터 직접적으로 결정될 수 있다.

이에 대체하여 또는 추가하여, 시스템 시정수 τ는 공식 τ = t/Ln(I(t=0)) - Ln(I(t=t)) 을 통해 결정될 수 있다. 여기서, I(t=0)는 테스트 누출의 비활성화, 제거 또는 전원차단(switching off) 시의 측정 신호이고, I(t=t)는 테스트 누출의 비활성화 후 선택되는(optional) 시간 t에서의 측정 신호이다.

여기서, 시스템 시정수는 또한 상기 공식에서 I(t=0)에는 테스트 누출 비활성화 시와 테스트 누출 활성화 전 사이에서의 측정 신호의 차이를, I(t=t)에는 테스트 누출 비활성화 후 시간 t에서의 측정 신호와 개방 전 측정 신호의 차이를 대입함으로써 결정될 수도 있다.

기본적 사상은 신호를 기술적으로 가속하는 데 있다. 시스템의 시스템 시정수는 기술적으로 측정 가능한 고정된 값이며, 적절한 테스트 누출의 활성화 또는 비활성화에 의해 누출 검출기 자체에서 측정할 수 있다. 알려진 시간적 거동으로 인해, 테스트 가스를 분사하지 않을 때 신호가 어떻게 동작하는지는 언제든지 예측할 수 있다. 이것은 수학적으로 다음의 관계식으로 표현될 수 있다:

I(t): 시간 t에서의 누출율 신호

(t): 가속화된 누출율 신호

I(t-τ/n): 시간 t-τ/n에서의 누출율 신호

F: 누출율 억제 계수(0.9~0.999)

n: 부스트 계수(가상의 흡입 용량이 물리적 흡입 용량에 비해 얼마나 더 큰지에 대한), 여기서 n은 자연수

τ: 시스템 시정수(예를 들어 유효 흡입 용량 및 부피로부터 유래됨. 상기 용량 및 부피는 시스템에서 사전에 측정되어야 함.)

상기 관계식으로부터 얻어지는 신호 (t)는 누출율 신호 I(t)에 비해 계수 (n+1)에 의해 가속되었다. 가속 이외에, 원하는(desired) 시스템 시정수(분사로 인해 신호가 최종 값으로 상승한 시간)를 지정할 수도 있다. 그러면, n은 상기 원하는 시스템 시정수 τ_w 로부터 n = τ/τ_w 에 의해 얻어진다. 상기 필터의 단점은 원래 신호에 노이즈가 증폭된다는 것이다. 여기서, 테스트 가스의 분사 기간을 필터의 원하는 시스템 시정수에 따라 조정하는 것이 좋다(또는 그 반대).

이 경우, 신호의 유효 노이즈(effective noise)는 가속 계수 n에 관계없이 40%만 증가한다. 또한 시스템 시정수 τ를 알면 원래의 누출율 신호 I(t)를 필터링함으로써 시스템 시정수 I(t)가 클 경우 필터 시스템 시정수(평균이 정하여지는 시간 범위)도 조정할 수 있다. 시스템 시정수가 물리적으로 가능한 가장 빠른 시스템 응답이기 때문에, 신호 응답 속도를 늦추지 않고 더 긴 시간 범위에서 평균화를 수행할 수 있다. 따라서, 필터의 노이즈를 효과적으로 줄일 수 있다(부피가 클수록 더 강한 가속이 요구되지만, 신호 평균화의 시간이 길어지기 때문에 노이즈는 적다).

1) 적절한 방법(내부 테스트 누출, 외부 테스트 누출, 스프레이 온(spray-on) 누출, 부피 및 흡입 용량의 입력)을 이용하여 누출율 측정을 위한 시스템 시정수를 결정함.

2) 필요하다면, 시스템 시정수에 따라 조정된 누출율 신호를 필터링함.

3) 상기한 관계식을 이용하여 신호를 가속화함.

4) 필요할 경우, 테스트 가스 분사 기간에 따른 원하는 시스템 시정수(부스트 계수)를 조정하거나, 설정된 시스템 시정수에 따라 분사 시간을 조정함.

결과:

신호 변환의 관계식:

I(t): 시간 t에서의 누출율 신호

I(t - τ/n): t - τ/n 시점에서의 누출율 신호

F: 누출율 억제 계수 (0.9~0.999)

n: 부스트 계수(가상의 흡입 용량이 물리적 흡입 용량에 비해 얼마나 더 큰지에 대한), 여기서 n은 자연수

τ: 시스템 시정수(예를 들어 유효 흡입 용량 및 부피로부터 구해짐. 상기 용량 및 부피는 시스템에서 사전에 측정되어야 함.)

결과적으로, 측정 신호의 가속이 발생한다. 전제 조건은, 시스템의 시스템 시정수가 내부 테스트 누출 등을 이용하여 사전에 결정되어야 한다는 것이다.

접근법 및 기본적 사상

진공 누출 검출기에서는, 유효 흡입 용량과 챔버 용량(부피) 사이의 관계에 따라 시스템 시정수, 즉 신호가 최대 속도로 상승 또는 하강할 수 있는 시점이 결정된다. 물리적인 측면에서, 신호는 더 빠르게 상승 또는 하강할 수 없고, 오로지 표면 투과 또는 디가싱(degassing), 또는 숨겨진 용적의 배기 등으로 인해 더 느려질 뿐이다. 모든 느린 효과는 차치하고, 신호의 거동은 항상 간단한 e-함수로 설명될 수 있다.

상승하는 신호에 대하여, 상기 함수는 다음과 같다:

,

하강하는 신호에 대하여, 상기 함수는 다음과 같다:

.

이것은 지수 함수이므로, 신호 I(t)를 사용하여 I(t)의 최대한의 가능한 변화(식의 유도에 의한)를 결정할 수 있다. 최대 가능한 유도(상승 또는 하강)는 항상 알려져 있으며, 누출율 신호로부터 유래한다.

기본적인 사상은, 신호의 매 지점마다 마치 지금 순간 신호가 떨어지고 있는 것처럼 해보자는 것이다. 즉, 물리적으로 가능한 최대 변화량은 항상 신호에서 감하여진다. 상기 함수는 e-함수이기 때문에 이를 시스템 시정수 단위로 표현하는 것이 가능하다.

변환을 수행하면, 수정된(modified) 누출율 신호 (t)를 구할 수 있다.

글로 표현하자면, 이것은 다음을 의미한다: 현재의 신호를 취하되 여기서 τ/n 초 이전의 신호 값을 뺀다, 다만 상기 τ/n 초 이전의 신호 값은 τ/n 초 사이에 최대 exp의 하강 변화를 반영한 값으로 한다. n은 자연수이다.

지수적 특성으로 인해, 상기 방정식은 크게 단순화할 수 있다.

상승하는 신호

따라서, 이상적으로는, 얻어진 결과는 진폭이 감소된, 시간과는 독립적인 신호이다. 시간과의 독립성은, 시간 t에서의 신호와 시간 t-τ에서의 신호가 모두 신호의 상승하는 끝단에 놓일 때 항상 정확하게 달성된다. 그 이전에는, 신호가 기하급수적으로 증가한다. 그러면, 이는 무슨 뜻인가? 헬륨을 분사하면, 일정한 시간(τ/n)이 경과한 후 이미 목표로 하는 진폭에 도달한다는 의미이다. 즉, 신호가 여전히 상승 중이지만, 필터링된 신호는 이미 최종 값을 출력한다.

일반적으로, 엔드 값에 거의 도달하려면 두 개의 시스템 시정수가 필요하다. n = 1의 값은 유효 시스템 시정수를, 원래 그렇듯이, 반으로 나눈다. 바꾸어 말하면, 이는 흡입 용량을 두 배로 늘린 결과를 낳는다. 그러나, 가상의 흡입 용량에 대해 언급하는 것이 더 필요하다. 또한, 1보다 유의미하게 큰 값을 사용할 수도 있다. 이와 같이 하여, 상기 필터를 사용함으로써, 진공 누출 검출기는 200 l/s의 가상 흡입 용량를 쉽게 가질 수 있다. n 값이 커짐에 따라, 측정 신호는 점점 작아진다.

따라서, 누출율을 산출하려면, 신호의 크기를 의 비율로 조정해야 한다. 이는 오차, 즉 노이즈의 증가를 야기한다.

상승하는 신호

기본적으로 예상되는 신호를 뺀다면, 그 결과값은 0이 된다. 그러나, 시간 t일 때와 시간 t - τ/n일 때 모두 신호가 지속적으로 하강하는 끝단 상에 있다면, 신호는 오로지 0으로만 된다. 헬륨을 분사한다면, 신호는 거의 정확하게 τ/n 시간 동안 눈으로 식별할 수 있다.

물론, 0이라는 값은 누출 검출기에 실제로 유용하지는 않다. 시스템 시정수 τ의 결정 상에 약간의 오차만 있더라도 누출율이 음수가 되어 리크에서의 흡수라는 결과를 야기할 수 있다. 이상적으로는, 작은 값이지만 눈으로 식별가능한 누출율 신호를 남기기 위해, 매개변수 F를 사용하여 보정을 약간 조정한다.

F가 0.9이면 누출율이 한 자리수 만큼 감소하고, F가 0.99이면 누출율이 2 자리수 만큼 감소한다.

안정적인 신호:

위와 같은 안정적인 신호인 경우, 상기 필터는 항상 안정적인 출력 신호를 제공한다. 그러나, 신호의 수준은 상기 계수 로 인해 더 낮아진다. 만약, 정확한 누출율 값이 출력되려면, 상기 결과 신호는 그에 맞추어 조정되어야 한다.

필터 요약

음수의 누출율 값을 피함과 동시에 정확한 누출율을 가리키고자 한다면, 신호의 필터링된 신호로의 변환은 다음 식과 같다.

I(t): 시간 t에서의 누출율 신호

I(t - τ/n): t - τ/n 시점에서의 누출율 신호

F: 누출율 억제 계수 (0.9~0.999)

n: 부스트 계수(가상의 흡입 용량이 물리적 흡입 용량에 비해 얼마나 더 큰지에 대한)

τ: 시스템 시정수(예를 들어 유효 흡입 용량 및 부피로부터 유래됨. 상기 용량 및 부피는 시스템에서 사전에 측정되어야 함.)

특성

상기 필터는 필수적으로 스프레이 온 누출에 대한 신호를 가속화하도록 설계되어 있다. 즉, 유효 흡입 용량과 부피에 기인하여 변화가 발생하는 모든 신호를 가속화하도록 설계되어 있다.

투과, 숨겨진 용적 및 기질은 필터에 의해 억제되지 않는다. 이는 한편으로는 옵셋이 항상 보이게 되어 부정적이지만, 다른 한편으로는 사용자가 실제 누출(모세관 누출)과 투과 누출을 매우 쉽게 구별할 수 있게 해준다. 특히, 큰 부피와 결합하여 비교적 낮은 흡입 용량(41)을 갖는 누출 검출기의 경우, 모세관 누출에 대한 시스템 시정수는 20초로 다소 크다. 상기 필터는 모세관 누출의 신호 경로를 매핑하기 때문에, 투과 누출은 매우 다르면서도(1/root(t)) 느린 신호 경로를 보여주어 더 잘 구별될 수 있다.

전제 조건

상기 필터는 시스템 시정수가 충분히 높은 정확도로 알려져 있을 것을 요구한다. 알려지지 않은 시스템이라면 이는 측정을 통해서만 구할 수 있다. 이러한 측정은 내부 또는 외부 테스트 리크를 가진 진공 누출 검출기로 가능하다.

이를 위해서는, 상기 테스트 리크를 개방하여야 하고, 적어도 신호가 안정될 때까지 기다려야 한다. 물론, 상기 테스트 리크는 챔버와 연결되어야 한다. 그리고 나서 테스트 리크의 스위치가 꺼질때, 감쇠 시간(예: 시작 신호의 1/e로 될때까지의 시간)을 측정함으로서 시스템 시정수를 결정할 수 있다.

많은 부피와 작은 유효 흡입 용량인 경우, 상기 작업은 물론 최대 1분이 소요될 수 있지만, 사용자는 이로 인해 시스템 시정수에 관한 정보를 획득함은 물론, 누출 시 필요한 분사 시간에 대한 정보도 획득하게 된다. 시스템 시정수를 결정하기 위해 투자되는 시간은, 상당히 짧아진 측정 시간으로 인해, 측정 지점 몇 개 만에 이미 보상된다.

노이즈

필터링된 신호는 누출 검출기의 원래 신호보다 훨씬 더 많은 노이즈를 보여준다. 이것은, 한편으로는 매번 최소한 두 개의 신호 값이 필요하기 때문이고, 다른 한편으로는 n이 증가함에 따라 유용한 신호가 점점 작아지기 때문이다. 그러나, 큰 부피와 짧은 스프레이 시간일 경우에는 신호가 낮으므로, 누출 검출기에 있어서는 매우 작은 누출율의 표시가 필연적이라는 점에 유의해야 한다. 그렇지만, 이는 필터에 의해 보상된다. 따라서, 더 큰 백그라운드 노이즈는 그다지 방해되는 영향을 미치지 않을 수 있다.

도 1의 실시예에서, 상측 궤적의 경로는 가스 검출기의 측정 신호를 나타낸다. 하측의 궤적은 테스트 챔버의 부피와, 상기 테스트 챔버와 가스 검출기 사이에 가스가 전도되는 연결부의 합이 100L(리터)이고, 진공 펌프의 흡입 용량이 4L/초 이며, 가속 계수(부스트 계수) n=1 인 경우에 대한 가속화된 신호 를 나타낸다.

도 1에서 하측의 궤적과 상측의 궤적의 경로를 비교해 보면, 가속화된 신호 경로 (t)가 실제 측정된 경로 I(t)보다 훨씬 빠르게 상승하는 것을 알 수 있다.

도 2는 테스트 챔버(12), 가스 검출기(14) 및 진공 펌프(16)를 포함하는 진공 누설 검출기의 개략도로서, 상기 가스 검출기(14)는 가스-전도 방식으로 가스-전도 경로(18)를 경유하여 테스트 챔버(12)와 연결된다. 상기 테스트 챔버는 테스트 가스로 채워진 시험 대상(20)을 수용한다. 상기 가스 검출기(14)는, 이에 의해 생성된 전자 계측 신호를 수신하여 처리하는 평가 유닛(22)과 전자적으로 연결된다.

다른 실시예에서는, 50L 배럴을 갖는 UL1000이 사용되었다. 제어 가능한 테스트 리크로서, 림프(limp) 밸브가 TI4-6과의 연결에 사용되었다. 필터를 위한 데이터 입력은, 한편으로는 다른 필터링 시간의 영향을 방지하고 다른 한편으로는 노이즈 증폭을 측정할 수 있도록 하기 위해, 고정된 필터와 결합한 누출율 신호였다.

림프 밸브를 열고 닫은 상태에서 다양한 테스트를 수행하고, 다양한 가속 단계에 대한 신호를 조사하였다. 특히, 신호강하와 신호상승에 대해서 조사하였고, 필터에서 예측되는 누설률이 일관성이 있는지, 어느 정도 차이가 있는지에 대해서도 조사하였다. 필터는 1×10^-3 ~ 1×10^-9 mbar L/s 의 범위에서 검사되었다.

1) 필터는 함수적이다.

2) 신호는 기술적으로 32 배 만큼 가속화될 수 있고, 이에 따라 기존 누출 검출기로는 거의 1000 L/s에 해당하는 가상 흡입 용량이 만들어질 수 있다.

3) 필터에 필요한 시스템 시정수의 결정은 내부 테스트 누출을 사용하여 수행할 수 있으며, 15 내지 20 초 소요된다.

4) 가속화된 신호는 입력 신호에 비해 1.4x 배 증가한 노이즈를 가지며, 이는 이론적 가정과 일치한다.

5) 그러나, 짧은 스프레이 펄스(시스템 시정수에 비해 짧은)에서는, 가속 계수가 그리 크지 않으면서 상기 스프레이 시간에 비례하는 한, 상기 노이즈는 1.4배 증가한다.

8) 누출율 예측이 양호하고, 필터가 신호 과/부족 부하를 거의 발생시키지 않는다.

9) 실제 시스템 시정수에 맞춰 입력 신호를 부드럽게 하면, 시스템 시정수를 크게 손상시키지 않으면서, 노이즈에 관해서는 크게 개선된다.

10) 대규모 누출 후의 스프레이 대기 시간은, 50 L의 부피에 대해 대략 1분으로까지 단축시킬 수 있다.

도 3은 누출 검출 시스템의 시스템 시정수를 결정하는 예로서, 로그 측정 신호의 상승 또는 하강이 측정되는 모습을 보여준다.

도 4는 시스템 시정수의 직접적인 결정 예로서, 측정 신호가 그의 1/e 로 떨어질 때까지 경과하는 시간이 측정되는 모습을 도시한 것이다.

도 5는 시스템 시정수의 직접적인 결정 예로서, 측정 신호가 (1-1/e) 배로 상승할 때까지 경과하는 시간이 측정되는 모습을 도시한 것이다.

도 6은 측정 신호의 필터링에 관한 예를 도시한 것이다. 여기서, 리크(리크)는 10^-7 mbar L/s로 분사된다. 측정 신호 I(t)는 파란색/파선으로 표시되어 있다. 가속화 변환된 신호 (t)는 빨간색으로 표시되어 있다. 파선으로 표시된 원래의 신호 I의 신호 시정수는 17.5초이다. 도 6에서, 왼쪽에서 오른쪽으로, 가속 계수 1.75, 3.5, 5.83, 8.75, 17.5, 35에 대하여 변환된 신호 (t)의 시스템 시정수는 10, 5, 3, 2, 1, 0.5 초이다.

12: 테스트 챔버
14: 가스 검출기
16: 진공 펌프
18: 가스-전도 경로
20: 시험 대상
22: 평가 유닛

Claims (18)

1. 진공 펌프(16), 상기 진공 펌프(16)와 연결된 테스트 챔버(12), 상기 테스트 챔버(12)와 연결된 가스 검출기(14)를 포함하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법에 있어서,
   상기 진공 누출 검출기의 시스템 시정수 τ를 결정하는 단계(여기서, 상기 시스템 시정수 τ는 시험 대상의 리크를 통해 빠져나온 가스 성분에 대한 응답으로 측정되는 신호의 시스템 관련 상승의 지속 시간, 또는 상기 시험 대상의 리크를 통해 더 이상 빠져나오지 않는 가스 성분에 대한 응답으로 측정되는 신호의 시스템 관련 하강의 지속 시간임.);
   상기 가스 검출기(14)를 이용하여, 시간 t에서 상기 테스트 챔버(12)로부터 유입된 가스의 측정 신호 I(t)를 생성하는 단계;
   상기 측정된 신호 I(t)를 버퍼링하는 단계;
   버퍼링된 측정 신호 I(t)의 측정값과 상기 시스템 시정수 τ에 기초하여, 미래 시간 t+t0에 대해 예측되는 측정 신호 (t+t0)를 형성하는 단계(여기서 t0 < τ);
   상기 가스 검출기(14)를 이용하여, 시간 t+t0에서 상기 테스트 챔버(12)로부터 유입된 가스의 측정 신호 I(t+t0)를 생성하는 단계;
   상기 측정 신호 I(t+t0)와 상기 예측된 측정 신호 (t+t0) 사이의 차이를 형성하는 단계;
   상기 형성된 차이에 기초하여, 상기 시험 대상의 누설 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 차이가 임계값보다 큰 경우, 상기 시험 대상에서 리크(leak)가 검출된 것으로 간주하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 차이가 임계값보다 작거나 같고 0보다 크거나 같은 경우, 상기 시험 대상은 밀폐된 것으로 간주하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
4. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 차이가 0보다 작은 경우, 예를 들어 부정확한 시스템 시정수의 형태로 오류가 가정되는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 임계값은 상기 측정 신호의 백그라운드 신호 값의 r배인 것으로 가정되는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법(여기서, r은 0보다 크고 바람직하게는 5 이상 및/또는 10 이하인 유리수임).
6. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가속화된 측정 신호 (t)는 다음의 변환에 의해 상기 측정 신호 I(t)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법:
   이전 시간 t'=t-τ/n에서의 이전 측정 신호 I(t')를 이용하는 단계(여기서, n은 0보다 큰 유리수);
   상기 이전 측정 신호 I(t')에 제2 상수 C2를 곱하는 단계;
   상기 측정 신호 I(t)와 상기 제2 상수 C2로 조정된 상기 이전 측정 신호 I(t') 사이의 차이 I(t) - C2 I(t')를 형성하는 단계;
   상기 차이 I(t) - C2 I(t')에 제1 상수 C1을 곱하여, 계수 n에 의해 가속화된 측정 신호 (t)(이는 상기 시스템 시정수 τ에 의해 보상된 측정 신호에 해당함)를 얻는 단계.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2 상수 C2는 1 보다 작은 양의 실수이고, 바람직하게는 오일러 수 e 의 n 제곱근의 역수 이거나 이 역수를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 제1 상수 C1은 1보다 큰 실수이고, 바람직하게는 항 을 포함하거나 이와 일치하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
9. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 상수 C2는 오일러 수 e의 n 제곱근을 포함하고, 바람직하게는 e의 n 제곱근의 역수를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
10. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 상수 C2는 계수 F에 의해 곱해지는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법(여기서, F는 1보다 작은 유리수이고 바람직하게는 0.9와 0.999 사이임).
11. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가속화된 신호 (t)는 다음의 공식을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법:
    .
12. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템 시정수 τ는, 상기 진공 누출 검출기의 내부 테스트 누출 또는 상기 테스트 챔버(12)와 연결될 수 있는 외부 테스트 누출일 수 있는 테스트 누출에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
13. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진공 누출 검출기의 진공 시정수는, 상기 테스트 챔버(12) 및 상기 테스트 챔버(12)와 상기 가스 검출기(14)를 연결하는 파이프 라인의 부피로부터 그리고 상기 진공 펌프(16)의 흡입 용량으로부터 상기 시스템 시정수 τ인 것으로 계산되는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
14. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템 시정수 τ는 소정의 시간 간격으부터 결정되되,
    상기 시간 간격은
    상기 진공 누출 검출기로부터 테스트 누출을 스위치 오프, 비활성화 또는 제거하는 시점으로부터 상기 측정 신호가 일정한 값으로 감쇠하기까지의 경과 시간, 또는
    상기 진공 누출 검출기에 테스트 누출을 스위치 온, 활성화 또는 부가하는 시점으로부터 상기 측정 신호가 일정한 값으로 상승하기까지의 경과 시간인 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
15. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일정한 시간은, 상기 측정 신호가 상기 테스트 누출의 정상(steady) 측정 신호의 1/e 배가 될 때의 시간에 해당하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기의 측정신호 평가방법.
16. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 진공 누출 검출기로서, 진공 펌프(16), 상기 진공 펌프(16)에 연결되는 테스트 챔버(12), 상기 테스트 챔버(12)에 연결되는 가스 검출기(14)를 포함하는 진공 누출 검출기에 있어서,
    상기 가스 검출기(14)의 측정 신호를 평가하기 위한 평가 유닛(22)을 더 포함하되,
    상기 평가 유닛(22)은 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기.
17. 상기 선행하는 청구항에 따른 진공 누출 검출기에 있어서,
    상기 평가 유닛(22)은 상기 프로세스 단계들이 저장된 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기.
18. 상기 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 진공 누출 검출기에 있어서,
    상기 평가 유닛(22)은 자동으로 상기 방법을 수행하도록 구성된 마이크로 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 누출 검출기.