ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ Российский патент 2016 года по МПК G01M3/00 

Изобретение относится к течеискателю для обнаружения по меньшей мере одного газового компонента во всосанном газе.

Для проверки герметичности посредством поверочного газа гелия обнаружение гелия в промышленных приборах происходит, как правило, с помощью масс-спектрометра, для функционирования которого требуется создание высокого вакуума. В другом методе обнаружения используется селективно проницаемая для гелия мембрана, которая закрывает полость, в которой находится датчик давления. В полости возникает давление, которое соответствует парциальному давлению гелия в окружающей атмосфере. Мембрана, как правило, требует подогрева. Подобный датчик называют датчиком парциального давления по технологии Wise. Он производится фирмой INFICON GmbH. Течеискатели-шнифферы по технологии Wise описаны в заявках DE 102005021909 А1 и DE 102006047856 A1. Подобные датчики в форме масс-спектрометров или датчиков парциального давления обладают высокой чувствительностью, но не выдерживают слишком высоких концентраций поверочного газа. Обнаружение гелия по технологии Wise ограничено парциально давлением примерно 0,5 мбар. При больших утечках датчик должен быть защищен от высоких концентраций. После сильного загрязнения прибор на несколько секунд теряет чувствительность, так что пользователь не может продолжать проверку герметичности. Прежде всего, невозможно локализовать место крупной утечки. Когда атмосферный щуп достигает окрестностей крупной утечки, система для защиты переключает датчик в неактивное состояние. Аналогичным образом другие типы датчиков тоже подвержены загрязнению или насыщению. Измерения концентрации невозможны также при достижении предела насыщения.

Другим датчиком насыщаемого газоселективного типа является масс-спектрометр. Масс-спектрометр имеет очень высокую чувствительность и газоселективность, однако для своего функционирования требует высокого вакуума, то есть очень низкого значения общего давления на входе своей измерительной системы. Когда общее давление превышает допустимое предельное значение, масс-спектрометр попадает в область насыщения.

В основе изобретения лежит задача усовершенствовать течеискатель высокой чувствительности таким образом, чтобы расширить диапазон измерений до более высоких концентраций и более высоких значений общего давления.

Первый вариант течеискателя согласно изобретению определен в п.1 формулы изобретения.

Согласно изобретению имеется первый датчик типа насыщаемого газоселективного датчика. Дополнительно предусмотрен второй датчик типа датчика теплопроводности. Первый датчик служит для измерения низких концентраций, а второй датчик принимает на себя измерение при высоких концентрациях, при которых первый датчик более неработоспособен.

Течеискатели с датчиком теплопроводности известны. Примеры таких датчиков описаны в US 3020746, US 3786675 и JP 09292302 A. Датчики имеют температурно-зависимый резистор, находящийся в измерительном мосту и расположенный в газе или газовом потоке. Газовый поток или газ отводят тепло от резистора. Чем больше плотность газа, тем больше отвод тепла от резистора. Обычно измеряется идущая на нагрев мощность, необходимая для поддержания постоянной температуры резистора. Таким образом указывается значение теплопроводности газа. Когда протекающим газом является воздух, который содержит гелий, плотность всего газа по мере увеличения доли гелия уменьшается. За счет этого также уменьшается теплопроводность. Датчики теплопроводности имеют низкую газоселективность. Однако они не зависят от насыщения или загрязнения и функционируют даже при высоких концентрациях газового компонента в окружающем газе. Однако чувствительность измерений ограничена.

Определение, что первый датчик является датчиком насыщаемого газоселективного типа, следует понимать в том смысле, что выше определенной концентрации или определенного парциального давления газового компонента датчик больше не дает пригодного количественного результата измерений. Сюда входит случай загрязнения. Загрязнение наступает при высоких значениях концентрации. После тяжелого загрязнения детекторная система на несколько секунд теряет чувствительность, так что пользователь не может продолжать проверку герметичности. Прежде всего, невозможно локализовать место крупной утечки. Когда атмосферный щуп достигает окрестностей крупной утечки, система для защиты переключает датчик в неактивное состояние. К датчикам типа насыщаемых газоселективных датчиков относятся следующие: масс-спектрометры, датчики Wise, датчики на основе металлогидрида для обнаружения H₂, датчики на основе оксида металла для обнаружения H₂ (для анализа хладагентов или спирта), датчики с дисперсным или недисперсным поглощением ИК.

Поскольку второй датчик как датчик теплопроводности не подвержен воздействию слишком высоких концентраций, он может быть включен постоянно. При низких концентрациях оба типа датчиков действуют, а при высоких концентрациях первый датчик переключается в неактивное состояние. Управление переключением первого датчика может осуществляться в зависимости как от результатов измерения первого датчика, так и от результатов измерения второго датчика.

Реализация неактивного состояния первого датчика может осуществляться различными способами. Одна возможность состоит в том, чтобы перекрывать газовый поток к первому датчику. Другая возможность состоит в том, чтобы переключать первый датчик в неактивное состояние. В случае датчика Wise это осуществляется тем, что ток нагрева через газоселективную мембрану прерывается, так что мембрана охлаждается и становится менее проницаемой.

Изобретение применимо, прежде всего, для течеискателей-шнифферов, в которых газ всасывается в ручной атмосферный щуп. Второй датчик может быть расположен на атмосферном щупе или на главном приборе, с которым атмосферный щуп соединен гибкой трубкой.

В качестве датчиков теплопроводности пригодны, например, датчик AWM-2300 фирмы „Hamamatsu" или датчик TCS208F3 фирмы „Gerhard Wagner".

С помощью течеискателя согласно изобретению можно также обнаруживать хладагенты, применяемые в кондиционерах воздуха и холодильниках. Хладагенты имеют меньшую проводимость, чем воздух, и тем самым являются отличаемыми по противоположному по сравнению с воздухом знаку в сигнале датчика теплопроводности гелия или водорода.

Второй вариант течеискателя согласно изобретению определен в п.7 формулы изобретения. При этом переключение с первого на второй датчик происходит в зависимости от общего давления. Подобный течеискатель пригоден в сочетании с первым датчиком, чувствительным к общему давлению. При этом второй датчик покрывает область выше критического общего давления, в то время как первый датчик применяется для точного измерения. Дополнительно, второй датчик может быть выполнен таким образом, что он одновременно измеряет общее давление. В этом случае второй датчик может производить управление первым датчиком в неактивное состояние. Однако, в качестве альтернативы, возможно также предусмотреть измеритель общего давления, который не зависит от каждого из обоих датчиков и управляет ими.

Также возможно работать с обоими датчиками одновременно, причем количественное измерение производится датчиком теплопроводности, а качественное измерение (оценка вида газа) производится датчиком парциального давления.

Далее изобретение поясняется подробнее со ссылкой на чертежи примеров осуществления.

Фиг.1 - схематическое изображение течеискателя-шниффера согласно первому варианту изобретения,

Фиг.2 - схематическое изображение тестера утечки с испытательной камерой,

Фиг.3 - диаграмма диапазонов измерений датчиков обоих типов, и

Фиг.4 - схематическое изображение формы осуществления согласно второму варианту изобретения.

В течеискателе-шниффере согласно фиг.1 предусмотрен главный прибор 10, соединенный через вентиль V2 с атмосферным щупом 12. Атмосферный щуп 12 можно перемещать вручную для проверки испытуемого объекта на течи, из которых выходит тестовый газ.

Главный прибор 10 содержит вакуумный насос 13, представляющий собой в данном примере двухступенчатый насос с насосными ступенями 13a и 13b, выполненными в виде мембранных насосов. Вакуумный насос создает предельное остаточное давление примерно 3 мбар.

От вакуумного насоса 13 ведет вакуум-провод 14 к откачному пространству 15. Откачное пространство 15 образовано датчиком поверочного газа 16. Стенки откачного пространства 15 примыкают к корпусу датчика поверочного газа 16. Чувствительная поверхность 17 датчика поверочного газа 16 окружена откачным пространством 15. Внутри откачного пространства 15 находится газоподающая пластина 18, расположенная на расстоянии напротив чувствительной поверхности 17 и параллельно ей. Атмосферная линия 11 оканчивается в газоподающей камере 19. Та имеет на противоположных сторонах боковые отверстия 20, через которые газ может поступать в откачное пространство 15. Газоподающая камера 19 распределяет газ перед чувствительной поверхностью 17.

Датчик 16 поверочного газа выполнен таким образом, как датчик, описанный в заявке DE 10031882 А1. Чувствительная поверхность 17 состоит из селективно проницаемой для гелия, нагреваемой электрически или тепловым излучением мембраны. В остальном, датчик 16 поверочного газа содержит датчик давления Пеннинга или другой датчик давления, генерирующий электрический сигнал, сообщающий о давлении в закрытом кварцевой мембраной корпусе. На основании этого давления подается сигнал для обнаруженного количества тестового газа.

Вакуум-провод 14 между вакуумным насосом 13 и откачным пространством 15 содержит первый дроссель D1, определяющий скорость откачки для нормального режима работы. Первый дроссель D1 шунтирован байпасной линией 26, содержащей вентиль V1.

В линии впуска воздуха находится дроссель D3. Вентиль V3 соединяет или впускное отверстие E1, или впускное отверстие E2 с выпускным отверстием A. Впускное отверстие E1 соединено с делителем 30 потока, который линией 31 соединен с впускным отверстием датчика 16 поверочного газа. Трубка 31 содержит дроссель D4.

От делителя 30 потока другой путь ведет через дроссель D2 и вентиль V4 к вакуум-проводу 14. Дроссели D2 и D4 взаимно настроены таким образом, что поток через D2 значительно больше, чем поток через D4. Поток через D2 по меньшей мере в 10 раз больше, чем поток через D4, и, прежде всего, по меньшей мере больше в 50 раз. Предпочтительно, поток через D2 примерно в 100 раз превышает поток через D4.

Атмосферная линия 11, ведущая от атмосферного щупа 12 к главному прибору 10, содержит измерительную линию 35, соединяющую атмосферный щуп с вентилем V2, и всасывающую линию 36, соединенную через вентиль V5 с впускным отверстием вакуумного насоса 13. Всасывающая линия 36 имеет существенно более высокую скорость откачки, чем измерительная линия 35. Например, расход всосанного газа через измерительную линию составляет 300 стд. см³/мин, а расход через всасывающую линию 36 составляет 2700 стд. см³/мин. Всасывающая линия 36 служит для повышения удаленной чувствительности течеискателя-шниффера, причем всасывается намного больше газа, чем в случае с измерительной линией, посредством отключения всасывающей линии чувствительность измерений повышается.

Согласно изобретению дополнительно к первому датчику 16, выполненному здесь в виде датчика по технологии Wise, предусмотрен второй датчик 38, в случае с которым речь идет о датчике теплопроводности. Предпочтительно, второй датчик 38 расположен в атмосферном щупе 12 и там, прежде всего, во всасывающей линии 36. Он может быть расположен в главном приборе в позиции 38a. Во всяком случае, выгодно, когда второй датчик расположен в месте большого общего давления, потому что там парциальное давление интересующего газового компонента наибольшее, и поэтому предел обнаружения наиболее благоприятен. Другой возможностью позиционирования второго датчика является выпускное отверстие вакуумного насоса 13. Однако при этом было бы неблагоприятно, чтобы сигнал второго датчика по времени поступал после сигнала первого датчика. Предпочтительно, сигнал датчика теплопроводности по времени должен поступать перед сигналом первого датчика.

Сигналы первого датчика 16 и второго датчика 38 подаются в управляющее устройство 40, переключающее в неактивное состояние по управляющей линии 41 первый датчик 16, когда первый датчик или второй датчик замеряют концентрацию, которая лежит выше предельного значения. За счет этого предотвращается, что первый датчик попадет в область насыщения или превысит предел загрязнения.

В примере осуществления на фиг. 2 речь идет о тестере утечки, в котором предусмотрена непроницаемая для вакуума испытательная камера 50, в которую помещается испытуемый образец 51. Испытуемый образец 51 заполнен поверочным газом 52. Испытательная камера 50 вакуумируется, так что в случае течи образца 51 для испытания поверочный газ выходит из образца для испытания. К испытательной камере 50 вакуумный насос 53 подключен линией 57 всасывания. Линия 57 всасывания содержит первый датчик 16 и второй датчик 38. Первый датчик является, например, датчиком по технологии Wise, а второй датчик является датчиком теплопроводности. На пути потока всосанного газа второй датчик 38 расположен перед первым датчиком 16. Первый датчик 16 шунтирован байпасной линией 54, которая может быть открыта и закрыта вентилями 56, 56а.

Вентиль 56 регулируется посредством устройства управления в зависимости сигнала второго датчика 38. Когда замеренная вторым датчиком концентрация поверочного газа превышает предельное значение, вентили 56 и 56а переключают таким образом, чтобы первый датчик 16 был шунтирован байпасной линией 54. За счет этого первый датчик защищают от загрязнения.

На фиг. 3 показан пример диапазонов измерений первого датчика и второго датчика на примере газового компонента гелия. На абсциссе нанесена концентрация гелия. Видно, что диапазон МВ1 измерений первого датчика простирается от небольших значений 1Е-05% (=10^-4 мбар) до значений немного выше 1Е-01% (=1 мбар), тогда как диапазон МВ2 измерений датчика теплопроводности охватывает всю шкалу выше 1Е-02%. Таким образом, оба датчика дополняют друг друга.

На фиг. 4 показан пример осуществления согласно второму варианту изобретения, в котором предусмотрен первый датчик 16а, функционирование которого зависит от общего давления на входе его измерительной системы 60, например масс-спектрометр. Вход 60 измерительной системы подключен к вакуумному насосу 13, содержащему подряд высоковакуумный насос 13а, например турбомолекулярный насос, и форвакуумный насос 13b. Всасывающее впускное отверстие 62 высоковакуумного насоса 13а через вентиль V2 соединено с входной линией 64, имеющей соединительный фланец 65 для подключения испытуемого образца 66. Испытуемый образец 66 представляет собой полое изделие, которое следует проверить на герметичность. В данном примере осуществления с помощью распылителя 67 снаружи испытуемого образца создается атмосфера из поверочного газа 68. Поверочный газ можно идентифицировать обоими содержащимися в тестере утечки датчиками. Если поверочный газ идентифицируется, то в испытуемом образце 66 имеется течь, через которую проник поверочный газ 68.

Кроме того, входная линия 64 подключена к соединительной линии 70, соединяющей оба вакуумных насоса 13a и 13b.

Между всасывающим впускным отверстием 62 и входной линией 64 включен вентиль V2, который регулируется в зависимости от общего давления и переводится в закрытое положение, когда общее давление поднимается выше предельного значения. Когда вентиль V2 закрыт, то первый датчик 16а отделен от испытуемого образца 66, так что он переключен в неактивное состояние.

К входной линии 64 подключен второй датчик 38, который является датчиком теплопроводности. Этот датчик теплопроводности выполнен таким образом, что он при довольно высоких значениях общего давления работает независимо. При низких значениях общего давления на входе измерительной системы 60 датчики обоих типов активны, а при довольно высоких значениях общего давления первый датчик 16a переключается в неактивное состояние путем запирания вентиля V2. Измерение общего давления в данном примере осуществления происходит на входной линии 64 с помощью второго датчика 38. В качестве альтернативы оно могло бы происходить также на входе измерительной системы 60 первого датчика. Возможно также для измерения общего давления использовать отдельный измерительный прибор.

Изобретение относится к течеискателю для обнаружения газового компонента во всосанном газе. Течеискатель имеет первый датчик для обнаружения газового компонента (гелия) во всосанном газе. Так как датчик является чувствительным к насыщению или же загрязнению, предусмотрен датчик теплопроводности. Датчик теплопроводности имеет меньшую чувствительность обнаружения, однако при высоких концентрациях он не подвержен опасности загрязнения. За счет обоих датчиков вместе может быть зарегистрирован больший диапазон от экстремально высокой чувствительности измерений до больших концентраций газового компонента, какие могут выступать при больших утечках. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности устройства. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Течеискатель с вакуумным насосным устройством (13; 53), через которое происходит всасывание газа, и первым датчиком (16) для обнаружения по меньшей мере одного газового компонента во всосанном газе, причем первый датчик является датчиком насыщаемого газоселективного типа, отличающийся тем, что предусмотрен второй датчик (38) типа датчика теплопроводности для обнаружения теплопроводности всосанного газа, и что предусмотрены средства для приведения первого датчика (16) в неактивное состояние, когда первый и/или второй датчик определяет концентрацию газового компонента выше предельного значения, причем первый датчик (16) покрывает область низких концентраций газового компонента, а второй датчик (38) покрывает область высоких концентраций.

2. Течеискатель по п.1, отличающийся тем, что в газовом потоке всосанного газа перед первым датчиком (16) расположен вентиль (V2), который для реализации неактивного состояния переводят в закрытое положение.

3. Течеискатель по п.1, отличающийся тем, что первый датчик (16) имеет выполненную с возможностью подогрева газоселективную мембрану (17), и что для реализации неактивного состояния подогрев мембраны отключают.

4. Течеискатель по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что предусмотрен атмосферный щуп (12) для всасывания газа из атмосферы, и что первый датчик (16) расположен в измерительной линии (35), а второй датчик (38) расположен во всасывающей линии (36), причем всасывающая линия для повышения удаленной чувствительности ведет прямо от атмосферного щупа (12) к вакуумному насосному устройству (13) и обеспечивает больший расход, чем измерительная линия.

5. Течеискатель по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что второй датчик (38) расположен в месте с постоянным общим давлением, примерно равным атмосферному давлению, прежде всего во всасывающей линии (36) или в воздушном выпускном отверстии течеискателя.

6. Течеискатель по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что для реализации неактивного состояния первого датчика (16) предусмотрена байпасная линия (54) с регулируемыми от управляющего устройства (40) вентилями (56, 56а).

7. Течеискатель с вакуумным насосным устройством (13; 53), через которое происходит всасывание газа, и первым датчиком (16а) для обнаружения по меньшей мере одного газового компонента во всосанном газе, причем первый датчик является датчиком насыщаемого газоселективного типа, отличающийся тем, что предусмотрен второй датчик (38) типа датчика теплопроводности для обнаружения теплопроводности всосанного газа, и что предусмотрены средства для приведения первого датчика (16а) в неактивное состояние, когда общее давление находится выше предельного значения, причем первый датчик (16а) покрывает область низких значений общего давления, а второй датчик (38) покрывает область высоких значений общего давления.

8. Течеискатель по п. 7, отличающийся тем, что в газовом потоке всосанного газа перед первым датчиком (16а) расположен вентиль (V2), который для реализации неактивного состояния переводят в закрытое положение.