TW202305338A - 洩漏檢測裝置及洩漏檢測方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於結合整體及局部洩漏檢測的洩漏檢測裝置，包含一測試樣本接口、一樣本高真空泵、至少一預真空泵及一氣體檢測器。樣本高真空泵的入口連接於測試樣本接口。預真空泵的入口透過一測試樣本線路連接於樣本高真空泵的出口。氣體檢測器連接於預真空泵，氣體檢測器透過至少一第一氣體線路連接於樣本高真空泵、測試樣本線路及/或測試樣本接口，使得來自測試樣本接口的氣體透過第一氣體線路被提供至氣體檢測器以進行氣體分析。連接於一氣體壓力感測器的一氣體壓力量測容積設置於測試樣本線路中，使得在以該氣體檢測器的氣體量測過程中，可透過量測氣體壓力量測容積的壓力分佈實現一整體洩漏檢測。

Description

洩漏檢測裝置及洩漏檢測方法
本發明關於一種結合整體及局部洩漏檢測的洩漏檢測裝置及洩漏檢測方法。
在對於整體氣體洩漏偵測的上升率(Rate of Rise)方法中，借助真空泵對測試樣本抽氣，然後量測抽真空的測試樣本中的總壓力分佈，以根據總壓力分佈推斷測試樣本的氣體洩漏。若壓力實質上為恆定的，則可假設測試樣本為密封的。若總氣壓分布增加，則可假設測試樣本具有洩漏處。
作為整體洩漏檢測的替代方案，局部洩漏檢測是藉助噴槍或借助吸槍檢漏儀(sniffer leak detector)進行的，以定位測試樣本中洩漏的位置。在習知的氣體洩漏檢測方法中，可以僅進行整體洩漏檢測或局部洩漏檢測。對於增壓量測來說，待測的容積必須要完全隔離，即在量測的過程中量測容積不得進一步抽氣，以免改變壓力。然而，反之，以測試氣體噴槍的習知洩漏檢測設備需要從測試樣本連續泵送待量測的氣體。現有的洩漏檢測設備無法同時量測整體密封性和測試氣體噴灑洩漏檢測。
相比之下，本發明為基於提供改進的洩漏檢測裝置和改進的洩漏檢測方法的目的。
在根據本發明之洩漏檢測裝置的第一變化例中，連接有待測試之測試樣本的測試樣本接口連接於測試樣本高真空泵的入口。測試樣本高真空泵的出口透過測試樣本線路連接於預真空泵的入口。此外，預真空泵連接於氣體檢測器，氣體檢測氣至少透過第一氣體線路連接於測試樣本高真空泵、測試樣本線路及/或測試樣本接口，使得氣體檢測器透過第一氣體線路供有來自測試樣本接口的氣體以進行氣體分析。本發明之第一變化例的特點在於連接於氣體壓力感測器的氣體壓力量測容積形成於測試樣本線路中，使得在以氣體檢測器的氣體量測過程中，可透過氣體壓力量測容積中之壓力分佈(例如總壓力、壓差、氣體壓力或部分壓力)的同時量測實現一整體洩漏檢測。
根據本發明之洩漏檢測裝置的第二變化例中，亦提供連接有待測試之測試樣本的測試樣本接口，而預真空泵的入口透過檢測氣線路連接於檢測器高真空泵的出口。氣體檢測器連接於檢測器高真空泵的入口，且透過至少一第一氣體線路連接於測試樣本線路及/或測試樣本接口，使得氣體檢測器透過氣體線路供有來自測試樣本接口的氣體以進行氣體分析。本發明之第二變化例的特點在於連接於氣體壓力感測器的氣體壓力量測容積形成於檢測器線路中，使得在以氣體檢測器的氣體量測過程中，可透過量測氣體壓力量測容積的壓力分佈實現一整體洩漏檢測。
氣體檢測器可為能以氣體選擇性的方式檢測一種氣體的分壓感測器(partial pressure sensor)，如質譜儀。
本實施例之二個變化例的共同特徵在於連接於氣體壓力感測器的氣體壓力量測容積能在以氣體檢測器進行氣體量測而進行局部洩漏檢測的同時或之後，透過量測氣體壓力量測容積中的壓力分布進行整體洩漏檢測。在氣體檢測器用於局部洩漏檢測的同時，氣體壓力量測容積及與其連接的氣體壓力感測器可同時用於整體洩漏檢測，或與局部洩漏檢測快速交替。
在根據本發明用於結合整體及局部洩漏檢測的洩漏檢測方法中，測試樣本先與測試樣本接口連接，且對測試樣本抽氣。來自測試樣本的氣體傳輸至氣體壓力量測容積，且量測氣體壓力量測容積中一時間內的總壓力的壓力分布。同時，以測試氣體(如以氫或氦之形式)噴灑測試樣本，且從測試樣本中抽取的部分氣流透過氣體線路提供給氣體檢測器並由氣體檢測器進行分析。同時，測試樣本高真空泵可以對從測試樣本抽出的氣流進行分流，使輕質氣體成分透過氣體線路供給氣體檢測器，而被測試樣本高真空泵從測試樣本抽出的大部分氣體被壓縮至氣體壓力量測容積內。這通常為空氣。被壓縮入氣體壓力量測容積的空氣不能透過測試樣本高真空泵進入氣體檢測器。
在此，有利的是，若在氣體壓力量測容積和預真空泵之間形成可選擇性鎖定的停止閥門，以便在壓力增加量測期間將氣體壓力量測容積與預真空泵隔開。因此，可以在壓力增加量測期間使用預真空泵來對氣體檢測器及/或與氣體檢測器連接的檢測器高真空泵抽氣。這對於質譜氣體檢測器特別有利。
因此，氣體線路可以將測試樣本高真空泵的中間氣體接口與氣體檢測器連接，例如透過檢測器高真空泵的中間氣體接口。替代地或額外地，可提供氣體線路，氣體線路將測試樣本高真空泵與預真空泵之間的測試樣本線路及/或氣體壓力量測容積連接於氣體檢測器，例如透過檢測器高真空泵的中間氣體接口。在此，可於氣體線路中提供有預設氣體導路的節流閥，以從氣體壓力量測容積提供連續的氣流至氣體檢測器。考慮到節流閥的已知氣體導路及/或節流閥上的壓降，可以確定氣體壓力量測容積中的總壓力增加。
特別地，測試樣本高真空泵可以是與習知質譜逆流檢漏儀一起操作的增壓泵。各個中間氣體線路及檢測器高真空泵與預真空泵之間的連接線路(如果可能的話) 應各提供有一可選擇性關閉的停止閥門。
體壓力量測容積設有用於量測氣體壓力量測容積中的壓力分佈的氣體壓力感測器。氣體壓力感測器可以是氣密感測器或用於總壓量測的壓力計。
如圖1所示之示例性實施例為本發明的第一變化例。測試樣本12連接於測試樣本接口14，測試樣本接口14以氣體傳導的方式(gas-conducting manner)連接於測試樣本高真空泵16的輸入端。測試樣本高真空泵16透過測試樣本線路18連接於預真空泵20，且具有氣體壓力量測容積22。氣體壓力量測容積22以氣體傳導的方式透過測試樣本線路18的第一部連接於測試樣本高真空泵16的出口19，且透過測試樣本線路18的第二部連接於預真空泵20的入口。氣體壓力量測容積22連接於氣體壓力感測器24，氣體壓力感測器24量測氣體壓力量測容積22內的氣體壓力p1。
測試樣本高真空泵16的中間真空接口26透過第一氣體線路28連接於檢測器高真空泵30。檢測器高真空泵30及測試樣本高真空泵16各為習知設計的渦輪分子泵。檢測器高真空泵30的入口連接於氣體檢測器32。氣體檢測器32為被檢測器高真空泵30抽氣的質譜儀。檢測器高真空泵30透過連接線路34連接於預真空泵20。圖1所示的組件為基於逆流原理(counterflow principle)的質譜氣體洩漏檢測器(mass spectrometric gas leak detector)，其中氣體透過氣體線路28從測試樣本12逆流進入氣體檢測器32。
第二氣體線路36將氣體壓力量測容積22與檢測器高真空泵30之另外的中間氣體接口連接。於此，第二氣體線路36具有節流閥38，節流閥38有預設且例如可調整的氣體導路。透過第二氣體線路36，氣體可連續地從氣體壓力量測容積22通過檢測器高真空泵30逆流進入氣體檢測器32。雖然在圖1所示的示例性實施例中第一氣體線路28及第二氣體線路36被組合顯示，但未在圖式中被示出的另外實施例為可想像的到的是提供有第一氣體線路28但未有第二中間氣體線路36，或提供有第二中間氣體線路36但未有第一氣體線路28。
第三氣體線路40在所有示例性實施例中為可想像的到，且被提供於圖式所示的示例性實施例中。第三氣體線路40以以氣體傳導的方式將氣體壓力量測容積22連接於檢測器高真空泵30之另外的中間氣體接口，且具有可選擇性關閉的閥門V3。氣體壓力量測容積22可透過閥門V3及第三中間氣體線路40排出。
第一氣體線路28具有可選擇性關閉的第一停止閥門V1。第二中間氣體線路36具有可選擇性關閉的第二停止閥門V2。第三中間氣體線路40具有可選擇性關閉的第三停止閥門V3。連接氣體壓力量測容積22及預真空泵20的測試樣本線路18的第二部具有可選擇性關閉的第四閥門V4。將檢測器高真空泵30連接於預真空泵20的連接線路34具有可選擇性關閉的第五停止閥門V5。
第一氣體線路28提供有第二壓力感測器42，第二壓力感測器42分別量測測試樣本高真空泵16之中間氣體真空接口26及中間氣體出口處的壓力。
連接線路34具有第三壓力感測器44，第三壓力感測器44介於第五閥門V5及檢測器高真空泵30的出口之間，第三壓力感測器44量測檢測器高真空泵30的出口的壓力。
氣體壓力感測器24被提供於測試樣本高真空泵16的預真空接口而因此至洩漏檢測器之入口的範圍內。在根據本發明的方法中，氣體壓力量測容積22中的壓力增加在後方，即測試樣本高真空泵16的下游被量測。測試樣本高真空泵16可稱為增壓泵(booster pump)。
測試樣本高真空泵16將從測試樣本12抽出的氣流分離成輕成分，如氦及/或氫，氦及/或氫主要被輸送至檢測器高真空泵30且用於局部洩漏檢測(噴灑洩漏檢測，spray leak detection)，而從測試樣本12抽出之空氣的主要部分被輸送至測試樣本高真空泵16之後方即下游的氣體壓力量測容積22內。因測試樣本高真空泵16之出口及中間氣體真空接口26之間的大壓縮，測試樣本高真空泵16作為對於空氣成分的屏障。透過切換感測器線路18、36、40中的閥門的至少一者(亦即閥門V2、V3或V4，較佳地為透過切換第三閥門)，氣體壓力量測容積22循環地被關閉。隨著空氣流入且被測試樣本高真空泵16壓縮，氣體壓力量測容積22中的壓力增加且被壓力感測器24量測。壓力的增加與測試樣本12的整體洩漏成正比。在這方面，亦可稱為中間氣體出口的中間氣體真空接口26為持續地開啟且連接於氣體檢測器32，更具體地連接於檢測器高真空泵30的第一中間氣體接口。因此，在噴灑洩漏檢測之形式的這種情況下，局部洩漏檢測可與基於質譜逆流原理之整體洩露檢測同時進行。
作為透過第四閥門V4完全關閉氣體壓力量測容積22的替代例，氣流可透過第二中間氣體線路36的節流閥38被導引至檢測器高真空泵30的相同中間氣體接口或第二中間氣體接口。透過測試樣本高真空泵16壓縮進入氣體壓力量測容積22的氣體可以透過節流閥38且逆流通過檢測器高真空泵30而流入氣體檢測器32。透過節流閥38的壓降可以被確定，並且如同壓力的增加亦作為測試樣本12之整體洩漏的衡量。在此方法中，亦可能透過測試樣本高真空泵16之開啟的中間氣體真空接口26來進行並聯於整體洩漏檢測之局部洩漏檢測。
以下，壓力增加量測是以圖2中的壓力分佈曲線來描述。在此過程中，通過洩漏處進入測試樣本12的氣體被測試樣本高真空泵16從測試樣本12抽除。因壓縮差異，如氦之輕氣體主要被輸送至檢測器高真空泵30。因此，氦氣通常用作測試氣體。而剩餘的空氣主要被輸送至測試樣本高真空泵16後方的氣體壓力量測容積22。由於對於空氣成分之測試樣本高真空泵16的中間氣體真空接口26與其出口19之間的壓縮大，故氣體收集於氣體壓力量測容積22中且於此增加壓力。此壓力增加可與測試樣本12之整體洩漏率成正比。
由於所有入流的氣體透過測試樣本高真空泵16被輸送，故於氣體壓力量測容積22中的壓力增加與測試樣本12之容積無關。壓力透過連接於氣體壓力量測容積22之合適的總壓力感測器或氣密感測器(如壓力感測器24)量測。
氣體壓力量測容積22中的壓力優選地維持在測試樣本高真空泵16仍可維持良好壓縮及輕氣體的回流低的範圍中。這通常是在0 mbar及5 mbar 之間的壓力範圍中的情況。在這方面，壓力p1應維持於0 mbar及5 mbar 之間。若壓力p1增加太多，可透過略微開啟連接於氣體壓力量測容積22之檢測器線路18、36、40中的閥門的至少一者，即第二閥門V2、第三閥門V3、第四閥門V4或前述之閥門V2、V3、V4的任意組合來排除氣體。
在預設時間t內量測氣體壓力量測容積22內的壓力增加，或量測達到特定壓力增加的時間。
同時對於透過壓力增加方法的整體洩漏量測，由於輕氣體透過第一閥門V1主要被輸送至氣體檢測器32，故以如氦氣或氫氣的輕氣體的局部洩漏檢測亦為可行的。這使同時實現透過以輕測試氣體噴灑測試樣本的局部洩漏檢測及整體測試樣本12之整體密封性量測為可行的。整體洩漏率可從氣體壓力量測容積22的容積VA及壓力增加(Δp/Δt，其中q = VA [I] * Δp[mbar]/t[s])得出。
若第一閥門V1、第二閥門V2及第五閥門V5為開啟的，而第三閥門V3及第四閥門V4為關閉的，則整體密封性的直接量測可由壓差量測(pressure differential measurement)來實現。於此，相比於上述的壓力增加量測，氣體壓力量測容積22為不完全封閉的。透過節流閥38，氣體朝檢測器高真空泵30被輸送。這節流導致氣體壓力量測容積22中的壓力增加，其由第一壓力感測器24量測。此壓力增加與測試樣本中的入流氣體的量成正比而因此與洩漏量成正比。所產生的壓力行程(pressure stroke) 如圖3所示且於此用於作為洩漏的衡量。透過略微打開第三閥門V3及/或第四閥門V4，可以確定單元的最終壓力或平衡壓力。然後，流動是由當開啟第三閥門V3時的平衡壓力與當關閉閥門V3時的壓力之間的壓力差所產生的。隨著以上述的總壓力量測方法，整體洩漏檢測及局部氦氣或氫氣的洩漏檢測為同時可行的。
如圖4及5所示的示例性實施例為本發明的兩個變化例，在本發明的兩個變化例中，壓力量測容積提供於將預真空泵20連接於檢測器高真空泵30之檢測器線路34的一部分中，也就是介於閥門V5及檢測器高真空泵30之間。於此，壓力量測容積22中的壓力可透過循環關閉及開啟閥門V5被壓力感測器24量測，以進行基於壓力增加方法的整體洩漏檢測。當閥門V5關閉，量測到壓力量測容積22中的壓力增加。此壓力增加正比於測試樣本12之整體洩漏率。在閥門V1開啟的同時，用於噴灑於測試樣本12上以局部洩漏檢測的測試氣體可被氣體檢測器檢測到，而定位測試樣本12的洩漏。
替代地或額外地，若來自環繞測試樣本12之大氣中的空氣透過洩漏處進入測試樣本12且從該處提供至氣體檢測器32，則氣體檢測器32可用來例如以空氣中所含有之氦含量的形式確定測試氣體訊號中的穩定增加。這樣，亦可實現整體洩漏檢測。在不用調整裝置的情況下，透過以如氦的測試氣體噴灑測試樣本12，局部檢測亦可隨後立即進行。
從此二種可能性的組合，例如以測試樣本12內的爆裂氮氣線路之形式之測試樣本12中的內部洩漏可與存在於測試樣本12之外殼之外部洩漏區隔開來。在無氣體檢測器32中的測試氣體(例如氦)背景訊號增加的情況下，內部洩漏導致可由壓力感測器24測量的壓力升高。
12:測試樣本 14:測試樣本接口 16:測試樣本高真空泵 18:線路 19:出口 20:預真空泵 22:壓力量測容積 24:壓力感測器 26:真空接口 28:線路 30:檢測器高真空泵 32:氣體檢測器 34:線路 36:線路 38:節流閥 40:線路 42:壓力感測器 44:壓力感測器 p1:壓力 V1:閥門 V2:閥門 V3:閥門 V4:閥門 V5:閥門
下面將參照圖式詳細說明本發明的示例性實施例。 圖1繪示洩漏檢測裝置之第一示例性實施例的方塊示意圖。 圖2繪示第一壓力分布。 圖3繪示第二壓力分布。 圖4繪示洩漏檢測裝置之第二示例性實施例的方塊示意圖。 圖5繪示洩漏檢測裝置之第三示例性實施例的方塊示意圖。
12:測試樣本
14:測試樣本接口
16:測試樣本高真空泵
18:線路
19:出口
20:預真空泵
22:壓力量測容積
24:壓力感測器
26:真空接口
28:線路
30:檢測器高真空泵
32:氣體檢測器
34:線路
36:線路
38:節流閥
40:線路
42:壓力感測器
44:壓力感測器
V1:閥門
V2:閥門
V3:閥門
V4:閥門
V5:閥門

Claims (20)

  1. 一種用於結合整體及局部洩漏檢測的洩漏檢測裝置，包含：一測試樣本接口；一樣本高真空泵，該樣本高真空泵的入口連接於該測試樣本接口； 至少一預真空泵，該至少一預真空泵的入口透過一測試樣本線路連接於該樣本高真空泵的出口；以及一氣體檢測器，連接於該至少一預真空泵，該氣體檢測器透過至少一第一氣體線路連接於該樣本高真空泵、該測試樣本線路及/或該測試樣本接口，使得來自該測試樣本接口的氣體透過該第一氣體線路被提供至該氣體檢測器以進行氣體分析；其中：連接於一氣體壓力感測器的一氣體壓力量測容積設置於該測試樣本線路中，使得在以該氣體檢測器的氣體量測過程中，可透過量測該氣體壓力量測容積的壓力分佈實現一整體洩漏檢測。
  2. 一種用於結合整體及局部洩漏檢測的洩漏檢測裝置，包含：一測試樣本接口；一檢測器高真空泵；至少一預真空泵，該至少一預真空泵的入口透過一檢測器線路連接於該檢測器高真空泵的出口；以及一氣體檢測器，連接於該檢測器高真空泵的入口，該氣體檢測器透過至少一第一氣體線路連接於該測試樣本線路及/或該測試樣本接口，使得來自該測試樣本接口的氣體透過該第一氣體線路被提供至該氣體檢測器以進行氣體分析；其中： 連接於一氣體壓力感測器的一氣體壓力量測容積設置於該檢測器線路中，使得在以該氣體檢測器的氣體量測過程中，可透過量測該氣體壓力量測容積的壓力分佈實現一整體洩漏檢測。
  3. 如請求項2所述之洩漏檢測裝置，其中提供有一樣本高真空泵，該樣本高真空泵的入口連接於該測試樣本接口，且該樣本高真空泵的出口透過一測試樣本線路連接於該至少一預真空泵。
  4. 如請求項1至3中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中提供用於該至少一預真空泵之停止閥門或關閉裝置之形式的一裝置，以在用該氣體壓力感測器量測該氣體壓力量測容積的壓力分佈時，使該至少一預真空泵的抽吸能力對該氣體壓力量測容積的作用失效。
  5. 如請求項1或2所述的洩漏檢測裝置，其中該第一氣體線路連接於該測試樣本高真空泵的一中間氣體接口。
  6. 如請求項1至5中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中連接於該氣體壓力量測容積的該測試樣本線路及其他的氣體線路中的至少一者設置有一節流閥。
  7. 如請求項2所述的洩漏檢測裝置，其中至少一節流閥設置於將該氣體壓力量測容積及該檢測器高真空泵連接的一中間氣體線路。
  8. 如請求項1至7中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中該第一氣體線路及/或其他氣體線路中的至少一者通向對該氣體檢測器抽氣的一檢測器高真空泵。
  9. 如請求項7所述的洩漏檢測裝置，其中該檢測器高真空泵的出口連接於該至少一預真空泵，以從而被抽氣。
  10. 如請求項1至9中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中該氣體檢測器為質譜儀。
  11. 如請求項1至10中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中該氣體壓力感測器為作為總壓力感測器、氣密感測器或壓差感測器的壓力計。
  12. 如請求項1至11中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中提供有可選擇性關閉之停止閥門的至少一其他氣體線路，及/或該第一氣體線路具有可選擇性關閉的停止閥門。
  13. 如請求項1至12中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中連接該檢測器高真空泵及該至少一預真空泵的該檢測器線路設有可選擇性關閉的停止閥門。
  14. 如請求項1至13中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中該停止閥門形成於連接該壓力量測容積及該至少一預真空泵的該檢測器線路的一部分。
  15. 如請求項1至14中任一項所述的洩漏檢測裝置，其中該測試樣本線路具有介於該氣體壓力量測容積及該至少一預真空泵之間的可選擇性關閉的停止閥門。
  16. 一種用於以如請求項1至15之任一項所述之洩漏檢測裝置結合整體及局部洩漏檢測的洩漏檢測方法，包含以下步驟：將一測試樣本連接於該測試樣本接口；對該測試樣本抽氣；從該測試樣本抽取氣體至該氣體壓力量測容積中且量測該氣體壓力量測容積中的壓力分佈； 以測試氣體噴灑該測試樣本；以及在以該氣體壓力感測器量測該氣體壓力量測容積中的壓力分佈時，將從該測試樣本抽出之氣體的部分氣流輸送至該氣體檢測器，且以該氣體檢測器分析氣體。
  17. 如請求項16所述之洩漏檢測方法，其中該部分氣流至少透過該第一氣體線路被輸送，或透過該第一氣體線路及將該氣體壓力量測容積連接於該檢測器高真空泵且具有已知的一節流閥的一中間氣體線路被輸送。
  18. 如請求項17所述之洩漏檢測方法，其中在透過該中間氣體線路傳輸該部分氣流時考慮該節流閥，以確定該氣體壓力量測容積中的壓力分佈。
  19. 如請求項16至18之任一項所述之洩漏檢測方法，其中在以該氣體壓力感測器量測該氣體壓力量測容積中的壓力分佈時，使該至少一預真空泵的抽吸能力對該氣體壓力量測容積的作用失效。
  20. 如請求項16至19之任一項所述之洩漏檢測方法，其中將該氣體壓力量測容積連接於該至少一預真空泵的至少一氣體線路路徑，特別是該檢測器線路、該測試樣本線路或至少一中間氣體線路，根據該壓力量測容積中所量測到之壓力的函數循環地被關閉且再開啟，基於根據壓力增加方法在該壓力量測容積中所量測到的壓力增加，推斷在閉合狀態下該測試樣本中的洩漏。
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