TW202413911A - 以質譜逆流洩漏偵測裝置判斷輕質氣體周遭濃度的方法 - Google Patents

Abstract

量測輕質氣體的周遭濃度的方法，包含具有質譜氣體偵測器(12)的質譜逆流洩漏偵測裝置(10)，與氣體偵測器(12)連接的高真空泵(16)及與高真空泵(16)連接的預真空泵(24)，其中預真空泵(24)包含向大氣開放的出氣口，其中預真空泵(24)被用於抽真空高真空泵(16)及/或氣體偵測器(12)，其特徵在於來自預真空泵(24) 環境的氣體進入運作中的預真空泵(24)或其入口側的預真空區域，以這樣的方式，被允許的空氣/氣體混合物中比空氣輕的氣體成分被逆流引入氣體偵測器(12)，並在那裡被偵測，而被引入的氣體混合物剩餘的氣體成分透過預真空泵(24)的出口被運送到周圍的大氣(54)。

Description

以質譜逆流洩漏偵測裝置判斷輕質氣體周遭濃度的方法

本發明涉及一種質譜逆流洩漏偵測器的外部環境中輕質氣體成分偵測方法。

質譜逆流洩漏偵測裝置通常包含：通至待檢查的試樣或放置待檢查試樣的測試室的端口；氣體偵測器以質譜儀的形式連接至端口；高真空泵通常，為渦輪分子真空泵的形式，其入口連接到質譜儀，其出口連接到預真空泵的入口，其出口運送被抽出的氣體進入周圍的大氣。此外，高真空泵通常包含分別連接至試樣端口或測試室端口的中間氣體入口。另外，預真空泵可以透過橋接高真空泵的旁路管道被直接連接至質譜儀以進行大量洩漏偵測。試樣端口或測試室端口可以分別透過附加的增壓泵被連接至預真空泵的入口，其中增壓泵可以被連接至高真空泵的中間氣體入口。

對於進行洩漏偵測，首先以預真空泵及增壓泵（如果有）對測試室端口及與其連接的測試室進行抽真空。再者，預真空泵在高真空泵的出口產生所需的預真空，以使高真空泵對質譜儀抽真空。一旦高真空泵的入口達到操作質譜儀所需的真空，測試室端口及高真空泵之間的連接閥就會打開，導致氣體由測試室流入高真空泵，並透過高真空泵逆流入質譜儀進行分析。在試樣洩漏的情況下，試樣內部的氣體進入測試室，並由那裡以逆流的方式進入質譜儀並可以在那裡被偵測到。

對於進行質譜逆流洩漏偵測，通常的關注在於判斷周遭空氣的特定輕質氣體成分的濃度。輕質氣體成分是來自周遭空氣中比空氣輕的空氣混合物的氣體成分。例如，一種這樣的輕質氣體成分可以是氦氣。

傳統上，周遭的氦氣濃度是使用單獨的氣體分析儀來偵測。或者，在質譜逆流洩漏偵測器中，可以關閉預真空泵並開啟預真空泵的氣鎮閥以使其排氣從而減緩速度。一旦預真空泵停止，氣體可以透過氣鎮閥及橋接高真空泵的旁路管道被引入質譜儀，以進行大量洩漏偵測並可以在那裡被測量。旁路管道是預真空泵的入口及質譜儀之間直接連接的管道。通常，這樣的旁路管道設有額外的節流閥，用於大量洩漏偵測。

本發明的目的是提供一種改進的用於判斷質譜逆流洩漏偵測器的環境中的輕質氣體成分的濃度的方法。

根據本發明的方法由請求項1的特徵定義。

請求項1涉及一種質譜逆流洩漏偵測裝置，其具有預真空泵、高真空泵及質譜氣體偵測器。預真空泵的出口可以通向大氣，或例如，可以被連接到排出泵送的氣體到大氣中的排氣管道。預真空泵的入口被連接到高真空泵的出口。高真空泵的入口被連接到質譜儀。高真空泵的中間氣體入口透過用於真空測試室及/或試樣的單獨連接管道被連接到出口。此外，測試室或試樣的端口可以透過附加的增壓泵被分別連接到預真空泵的入口，然而，這不是絕對必要的。可想像的是，增壓泵的中間氣體出口被連接到高真空泵的中間氣體入口。

高真空泵通常是渦輪分子泵。預真空泵設有通向外部大氣或通向新鮮空氣管道的氣鎮（gas ballast）。氣鎮可以包含選擇性地可切換的閥且因此可選擇性地開啟或關閉。

對於質譜逆流洩漏偵測，通常預真空泵是用於在高真空泵的出口處產生預真空壓力，使高真空泵可以在質譜儀內部產生所需的高真空。透過高真空泵的中間氣體入口，來自測試室或試樣的氣體分別以逆流的方式透過高真空泵進入質譜儀並在那裡進行分析。透過這種作法，確定所分析的氣體是否具有指示試樣中洩漏的氣體成分。

為了同時偵測或分析來自預真空泵的外部環境且比空氣輕的輕質氣體成分，氣鎮閥可以被開啟或透過開放式氣鎮將來自預真空泵外部環境的空氣引入預真空泵，如此一來，至少一輕質氣體成分，如氦氣，透過預真空泵的入氣口逆流而出，並從那裡進入質譜儀，而剩餘的氣體成分則透過預真空泵的出口被輸送到環境中。可替代或補充的是，入氣口可以直接通向預真空泵的預真空區域，即例如通向預真空泵及高真空泵之間的連接管道及/或通向下文進一步描述的繞過高真空泵的旁路管道。

因此，本發明的優點在於周遭空氣的分析，且特別是周遭空氣輕質氣體成分濃度的量測，可以在用質譜儀執行實際洩漏偵測時進行，而不需要中斷洩漏偵測及/或關閉預真空泵。在這方面，待測的輕質氣體成分可以從預真空泵的入口被逆流引入到高真空泵的出口，透過高真空泵至其入口，並從那裡進入質譜儀。可替代或補充的是，待測的輕質氣體成分可以透過將預真空泵的入口連接到質譜儀的旁路管道進入質譜儀以進行大量洩漏偵測，其中旁路管道橋接高真空泵。旁路管道可以設有額外的節流閥。這樣的旁路管道能夠在質譜儀中的高真空泵產生所需的高真空壓力前偵測到特別大的洩漏。

輕質氣體成分接著逆著泵送方向從氣鎮透過預真空泵流向質譜氣體偵測器。高真空泵出口處的壓力僅取決於預真空泵的速度，而不取決於周遭空氣中待測輕質氣體成分(例如，氦氣)的比例。質譜儀的洩漏率訊號或離子原始電流訊號的測量偏差分別取決於周遭的氦濃度或周遭空氣中的輕質氣體成分的濃度。

輕質氣體，例如氦氣，沿與實際泵送方向相反的質譜儀方向流動。預真空泵的速度越低，透過預真空泵逆流通過其入口返回質譜儀的氦氣就越多。由於不同的壓縮，輕質氣體成分的增加大於質譜儀中總壓力的增加。透過改變或調節預真空泵的速度，即使不致動閥，也可以判斷輕質氣體的周遭濃度，例如氦氣。

輕質氣體成分的周遭濃度的判斷可以在實際洩漏偵測的期間或也可以在試樣的洩漏偵測之後被執行，而無須關閉泵。預真空泵及高真空泵持續運作，從而消除關閉及重啟真空泵的時間。

包含質譜儀形式的質譜氣體偵測器12的質譜逆流洩漏偵測裝置10被繪示。氣體偵測器12以氣體傳導方式連接至渦輪分子泵形式的高真空泵16的入口14。高真空泵16的出口18透過設有選擇性地可控制閥20的連接管道以氣體傳導方式連接至預真空泵24的入口22。預真空泵24的出口26通向大氣或通向排氣管道。

此外，預真空泵24的入口22透過獨立的旁路管道28連接至質譜氣體偵測器12。旁路管道28橋接高真空泵16及可控制閥20，並且設有節流閥30，以便能夠進行大量洩漏偵測。

洩漏偵測裝置10還設有用於測試室或試樣的端口32。於所繪示的示例性實施例中，測試室35真空連接至端口32。測試室35接收待測洩漏的試樣，然後被抽真空。以此目的，端口32以氣體傳導方式連接至增壓泵34。在這方面，增壓泵的入口36以氣體傳導方式連接至端口32，而增壓泵的出口38透過設有另一閥40的氣體管道42連接至預真空泵的入口22。

增壓泵34不是本發明所必須的。圖2示出了沒有增壓泵的示例性實施例。圖2的示例性實施例對應於圖1的示例性實施例，除了缺少增壓泵34及入氣口53。

包含另一可選擇性的可操作的閥44的中間氣體管道46將增壓泵34的中間氣體出口48連接至高真空泵16的中間氣體入口50。

預真空泵24也設有氣鎮閥52，其與入口22及出口26分別形成，其將預真空泵24的內部連接至預真空泵24及洩漏偵測裝置10的外部大氣54。氣鎮閥52可選擇性地為可操作的且可以開啟及關閉。

節流點51被設置於氣鎮閥52及預真空泵24之間，以判斷透過氣鎮引入預真空泵24的氣流。根據本發明，氣鎮閥52可以被省略。在這種情況下，在形成預真空泵24的氣鎮的入口只有設置節流點51。例如，可以透過選擇氣鎮入口的合適截面來啟用節流點51。

作為替代方案或除了透過預真空泵24的氣鎮從大氣54引入空氣之外，周遭的空氣也可以透過入氣口53被引入預真空泵24的預真空區域，如圖2所示。在圖2中，作為示例性的實施例，提供了入氣口53，該入氣口53可以通向大氣或連接至新鮮空氣管道，並且其通向入口22及閥20之間的連接管道，即通向連接預真空泵24及高真空泵16的連接管道。圖2中示出了除了透過預真空泵24的氣鎮的入口之外的入氣口53，但也可以作為沒有氣鎮的替代方案而被提供。在這種情況下，預真空泵24上的氣鎮被省略。入氣口53也設有類似於氣鎮的節流點51的節流閥。對於圖1中的示例性實施例也是可能的。

在操作過程中，在預真空泵24及增壓泵34的幫助下，測試室35被抽真空。預真空泵24在高真空泵16的出口處產生所需的預真空，高真空泵16將質譜氣體偵測器12的內容物抽真空。同時，預真空泵24也透過旁路管道28直接對質譜氣體偵測器12抽真空。

一旦達到質譜氣體偵測器12操作所需的真空壓力，閥44被打開，且閥40被關閉，使得來自測試室35內部的測試氣體及/或洩漏氣體透過增壓泵34、中間氣體管道46以及逆流透過高真空泵16進入質譜氣體偵測器12，並且可以在那裡進行分析。

為了能夠以快速且簡單的方式判斷大氣54的空氣中的氦氣含量的氣體濃度，在預真空泵24仍在運作的情況下，打開氣鎮閥52。在沒有氣鎮閥的示例性實施例中，氣鎮52是永久開啟的，且可以連接至新鮮空氣管道。在最簡單的情況下，氣鎮52可以通向大氣。

為了判斷周遭空氣中氦氣含量的氣體濃度，真空泵的速度被調節或至少在兩個不同的操作狀態之間改變，例如，在預真空泵24的最終速度及減速速度之間交替。泵速的變化導致氦氣分壓以及預真空泵24的入口22處的總壓力的變化。在質譜氣體偵測器12的量測訊號中，可以針對氦氣含量接著量測變化或訊號偏差，因為來自預真空泵24的氦氣透過旁路管道28或以逆流方式透過高真空泵16進入質譜氣體偵測器12。在有氣鎮閥52的情況下，從大氣54流入預真空泵24的空氣供應可以受到開啟及關閉氣鎮閥52的影響。

比周遭空氣的氣體成分的平均值輕的周遭空氣的氣體成分將透過入口22，並從那裡以逆流的方式流過高真空泵16及/或透過旁路管道28進入質譜氣體偵測器12的高真空，在那裡它們可以被測量。反之，周遭空氣中比周遭空氣重的氣體成分透過預真空泵24的出口26返回到大氣54。這樣一來，來自周遭大氣54的氦氣進入質譜氣體偵測器12並且可以在那裡進行分析，而無須關閉預真空泵24、高真空泵16及/或增壓泵34。

作為預真空泵24的氣鎮的替代或除了預真空泵24的氣鎮之外，可以設置入氣口，用於直接地供應周遭空氣至預真空泵24的預真空區域中，例如作為入氣口53進入預真空泵24及高真空泵16之間的連接管道、入口22及閥20之間，及/或進入旁路管道28中。

10:洩漏偵測裝置 12:氣體偵測器 16:高真空泵 14,22,36,50:入口 18,26,38,48:出口 24:預真空泵 28:旁路管道 30:節流閥 32:端口 35:測試室 34:增壓泵 40,44,20:閥 42:氣體管道 46:中間氣體管道 53:入氣口 52:氣鎮閥 54:大氣 51:節流點

在以下內容中，本發明的示例性實施例將參照圖式進行更詳細的解釋。在圖式中： 圖1 係第一實施例。 圖2 係第二實施例。

10:洩漏偵測裝置

12:氣體偵測器

14,22,36,50:入口

16:高真空泵

18,26,38,48:出口

28:旁路管道

30:節流閥

24:預真空泵

51:節流點

52:氣鎮閥

54:大氣

40,44,20:閥

42:氣體管道

46:中間氣體管道

34:增壓泵

32:端口

35:測試室

Claims (10)

1. 一種用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，包含具有一質譜氣體偵測器(12)的一質譜逆流洩漏偵測裝置(10)、與該質譜氣體偵測器(12)連接的一高真空泵(16)，及與該高真空泵(16)連接的一預真空泵(24)，其中該預真空泵(24)包含通向大氣的一出氣口，其中該預真空泵(24)被用於抽真空該高真空泵(16)及/或該質譜氣體偵測器(12)，其特徵在於來自該預真空泵(24)的環境的空氣被引入運轉中的該預真空泵(24)或其入氣口端的預真空區域，使被引入的空氣/氣體混合物中比空氣輕的一氣體成分被逆流引入該質譜氣體偵測器(12)，並在那裡被偵測，而該被引入的空氣/氣體混合物中剩餘的氣體成分透過該預真空泵(24)的該出氣口被運送到周圍的大氣(54)。
2. 如請求項1所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在於比空氣輕的該氣體成分為氖、氦、氫或氘。
3. 如請求項1或2所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在於該氣體成分透過該高真空泵(16)或透過橋接該高真空泵(16)及連接該預真空泵(24)與該質譜氣體偵測器(12)的旁路管道(28)以逆流的方式進入該質譜氣體偵測器(12)以進行大量的洩漏偵測。
4. 如請求項1所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在於該預真空泵(24)包含一開放式氣鎮，來自該預真空泵(24)的大氣(54)的空氣透過該開放式氣鎮進入運作中的該預真空泵(24)。
5. 如請求項1所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在該預真空泵(24)的該入口(22)的上游有一單獨的入氣口(53)，該預真空泵(24)的環境中的空氣透過該入口(22)被引入其的該預真空區域。
6. 如請求項1所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在於，為了判斷進入的該空氣/氣體混合物中該氣體成分的周遭濃度，該預真空泵的速度被改變，從該質譜氣體偵測器(12)的量測訊號的變化中確定該氣體成分的比例。
7. 如請求項1所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在於該預真空泵(24)的速度由第一速度值改變為與該第一速度值不同的至少一第二速度值，且代表該氣體成分的分壓的該量測訊號的反應被評估。
8. 如請求項1所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在於該預真空泵(24)為一魯氏泵及/或一爪氏泵。
9. 如請求項1所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在於在分析一測試室氣體的過程中，透過該質譜氣體偵測器(12)對來自該預真空泵(24)的環境的該氣體成分進行的分析。
10. 如請求項1所述的用於判斷輕質氣體的周遭濃度的方法，其特徵在於該預真空泵(24)在量測來自該預真空泵(24)的環境的該氣體成分的期間不被停用。

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