ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ С ОПТИЧЕСКИМ ОБНАРУЖЕНИЕМ ПРОБНОГО ГАЗА Российский патент 2016 года по МПК G01M3/02 G01M3/38 G01M3/20 

Настоящее изобретение относится к течеискателю с оптическим обнаружением пробного газа (газа-индикатора).

Обычно течеискатели содержат масс-спектрометр или подобный газоанализатор для проверки всасываемого в них газа на присутствие пробного газа. К распространенным пробным газам относятся гелий и другие благородные газы, а также водород. Применение масс-спектрометра требует создания глубокого вакуума, что, в свою очередь, требует громоздких вакуумных насосов. Кроме того, известны течеискатели, имеющие ячейку, содержащую газонепроницаемые стенки и закрытую мембраной, селективно проницаемой для пробного газа, где мембрана образует вход пробного газа. Если у мембраны снаружи ячейки присутствует пробный газ, то внутри ячейки парциальное давление пробного газа возрастает. Поскольку в ячейке не содержится каких-либо иных газов, кроме пробного газа, парциальное давление пробного газа может быть измерено в ячейке путем измерения полного давления. Это дает информацию о парциальном давлении пробного газа в окружающей среде. Таким образом, можно не только зарегистрировать присутствие пробного газа в окружающей среде, но и провести количественные измерения. Измерение давления внутри ячейки требует сложной измерительной аппаратуры и обеспечения откачки для удаления пробного газа. Для этой цели подходят ячейка Пеннинга или магнетронная ячейка.

В документе DE 19853049 С2 описан течеискатель другого типа, в котором через контролируемый объект прокачивают газообразное вещество-носитель (газ-носитель) и при этом определяют, присутствует ли пробный газ в выходящем наружу газе-носителе. Если его присутствие регистрируется, то это свидетельствует о наличии течи в контролируемом объекте. Откачиваемый из контролируемого объекта газ пропускается через разрядную ячейку и вынужден принимать метастабильное состояние. Предпочтительным газом-носителем или пробным газом для генерирования газового разряда является гелий. Назначение газового разряда состоит в том, чтобы перевести пробный газ в метастабильное состояние. Разрядная ячейка содержит оптический измерительный тракт, образованный лазером и фотодетектором, принимающим исходящий от лазера луч. С помощью лазерной абсорбционной спектрометрии осуществляется замер возбужденных атомов пробного газа или подлежащей обнаружению компоненты пробного газа в разрядной ячейке. Этот принцип измерения требует того, чтобы с целью возбуждения пробного газа через контролируемый объект обязательно пропускался газ-носитель.

Задача настоящего изобретения состоит в создании течеискателя с высокой чувствительностью, коротким временем отклика (высоким быстродействием) и простой конструкцией.

Предлагаемый в изобретении течеискатель с оптическим обнаружением пробного газа содержит ячейку с входом пробного газа, имеющим мембрану, селективно или исключительно проницаемую для пробного газа, возбуждающее устройство в ячейке, способное переводить пробный газ в энергетически более высокое метастабильное состояние, и оптический измерительный участок, образованный лазером и фотодетектором, принимающим лазерный луч. Как указано выше, вход газа является селективно или исключительно проницаемым для пробного газа. Это означает, что имеющаяся в указанном входе мембрана создает преграду существующему снаружи или атмосферному давлению, одновременно позволяя проходить пробному газу, а возможно, и отдельным другим газам. К примеру, мембрана может содержать тонкий слой кварца или оксида кремния (SiO₂). Он селективно проницаем для легких газов, таких как водород или гелий, особенно при его нагреве. Мембрана предохраняет от попадания внутрь ячейки более тяжелых газов и паров воды, а также любых иных веществ, которые могли бы нарушить метастабильное состояние пробного газа. Таким образом, "абсолютная селективность" мембраны по отношению к пробному газу не требуется. Напротив, достаточно, чтобы мембрана допускала прохождение через себя пробного газа с возможностью проникновения и других газообразных компонентов.

В предлагаемом течеискателе ячейка имеет источник электронов, использующий электронные удары для перевода пробного газа в метастабильное состояние.

Изобретение позволяет применять различные методы течеискания. Например, течеискатель может представлять собой течеискатель щупового типа, содержащий щуп, который ведут вдоль наружной стороны контролируемого объекта и который регистрирует утечку пробного газа. С другой стороны, течеискатель также может содержать отсасывающее устройство, всасывающее газ из контролируемого объекта, и при такой схеме область с содержанием пробного газа создают снаружи контролируемого объекта.

Хотя вакуумировать ячейку необязательно, в предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено соединение ячейки с вакуум-насосом.

Использование непосредственной ионизации за счет электронного удара, при котором поступающие от источника электронов (катода) электроны сталкиваются с частицами пробного газа, переводя их на более высокий энергетический уровень, позволяет отказаться от использования буферного газа. Другие возможные способы возбуждения - это возбуждение рентгеновским излучением, многофотонное возбуждение, изменение заселенности энергетических уровней на соответствующую комбинационному рассеянию света (эффекту Рамана) и столкновение с нейтральными атомами/молекулами, например, в ультразвуковом луче.

Оптическое обнаружение метастабильного гелия может осуществляться с помощью абсорбционной спектроскопии или флуоресцентной спектроскопии. Для абсорбционной спектроскопии лазерный источник может подвергаться модуляции, обеспечивающей покрытие (охват) спектра поглощения состояний более высокого возбуждения.

В особом варианте осуществления изобретения ячейка дополнительно имеет откачное подключение с мембраной, селективно или исключительно проницаемой для пробного газа, причем откачное подключение соединяет ячейку с откачивающей камерой, которая, в свою очередь, соединена с вакуум-насосом, или же с атмосферой, в которой пробный газ отсутствует. Откачное подключение дает возможность удаления гелия из ячейки либо путем выхода его в окружающую среду, либо за счет работы насоса. Назначение откачного подключения состоит в выпускании пробного газа из ячейки наружу после удаления пробного газа из пространства перед мембраной. Откачивающая камера может иметь подключение линии подачи буферного газа (при использовании последнего) и дополнительное откачное подключение.

В другом варианте осуществления изобретения ячейка герметично изолирована за исключением входа пробного газа, благодаря чему внутри ячейки устанавливается парциальное давление пробного газа, равное парциальному давлению пробного газа в окружающей среде.

Ниже приведено более подробное, полное и достаточное описание настоящего изобретения, включающее наилучший вариант его осуществления и позволяющее специалисту осуществить его, изложенное со ссылками на поясняющие чертежи, на которых показано:

на фиг. 1 - схематическая иллюстрация идеи изобретения,

на фиг. 2 - конкретный первый вариант осуществления изобретения, в котором метастабильное возбуждение достигается с помощью газовой плазмы, полученной ионизацией буферного газа,

на фиг. 3 - второй вариант осуществления изобретения, содержащий дополнительное откачное подключение у ячейки, предназначенное для отсасывания пробного газа из ячейки для получения короткого времени отклика,

на фиг. 4 - вариант осуществления изобретения, в котором ячейка имеет подключение к источнику вакуума,

на фиг. 5 - другой вариант осуществления изобретения, в котором ячейка герметично изолирована, за исключением входа пробного газа, вследствие чего внутри ячейки устанавливается парциальное давление, равное парциальному давлению пробного газа в окружающей среде.

На фиг. 1 показана общая идея изобретения. Основой предлагаемого в изобретении течеискателя является ячейка 10 с внутренним пространством 11, которое закрыто входом 12 пробного газа. Вход 12 пробного газа имеет мембрану 13, преимущественно проницаемую для пробного газа, например гелия. Предпочтительно она представляет собой мембрану, селективно проницаемую только для гелия. Мембрана 13 проницаема в обоих направлениях. Таким образом, во внутреннем пространстве 11 ячейки 10 устанавливается давление, равное парциальному давлению пробного газа снаружи ячейки. Ячейка 10 предварительно вакуумирована, вследствие чего в ней не может находиться никакой иного газа, кроме пробного. Ячейка 10 содержит возбуждающее устройство (не показано), с помощью которого пробный газ переводится в состояние более высокого возбуждения.

Оптическое обнаружение метастабильного пробного газа осуществляется с помощью измерительного участка 14, содержащего лазер 15 и фотодетектор 16, принимающий лазерный луч 17. Длина волны лазерного луча 17, испускаемого лазером 15, установлена в соответствии с линией поглощения пробного газа (например, гелия). К примеру, длина волны лазерного луча установлена на 1083,034 нм для достижения более высокого энергетического уровня 2³P₂, начиная от метастабильного уровня 2³S₁. При излучении лазера на длине волны 1083,025 нм удалось бы получить энергетический уровень 2³Р₁ а на длине волны 1082,908 нм был бы достигнут энергетический уровень 2³Р₀. При освещении пробного газа, находящегося в метастабильном состоянии, при упомянутой длиной волны излучение на этой длине волны поглощается. Подробная информация в этом отношении содержится в DE 19853049 С2.

Излучение лазерного луча 17 подвергается модуляции таким образом, чтобы регистрировать область, охватывающую базовую длину волны. Абсорбционная спектроскопия дает возможность обнаружения длин волн поглощения. Этот принцип одинаков для всех вариантов осуществления изобретения, описанных ниже. Ячейку 10 также можно было бы назвать ячейкой спектрометра. Предпочтительно она выполнена из стекла. Лазер 15 и фотодетектор 16 могут быть расположены в ячейке 10 или снаружи нее.

В показанном на фиг. 2 варианте осуществления изобретения ячейка 10 снабжена измерительным участком 14. Ячейка закрыта мембраной 13, селективно проницаемой для пробного газа (гелия) или, по меньшей мере, обеспечивающей преимущественное прохождение этого газа. Мембрана 13 имеет пористый несущий элемент 20, проницаемый для газа, и тонкий фильтрующий слой 21 диоксида кремния (SiO₂) или кварца толщиной несколько нанометров. Для нагревания фильтрующего слоя служит нагреватель 22, который предпочтительно является внешним по отношению к секции, где происходит поглощение. Этот нагреватель расположен на некотором расстоянии от фильтрующего слоя 21, так что пробный газ может проходить через фильтрующий слой. Подробно конструкция мембраны 13 описана в публикации ЕР 0831964 В1 (американский аналог - публикация US 6277177 В1).

Ячейка 10 имеет возбуждающее устройство 25, под воздействием которого поступивший в ячейку гелий переходит в метастабильное состояние. В данном случае возбуждающее устройство содержит катод 26, являющийся частью газоразрядной секции, обеспечивающей генерирование плазмы из буферного газа во внутреннем пространстве 11. Буферный газ представляет собой инертный газ, предпочтительно благородный газ, за исключением гелия, который используется в качестве пробного газа.

Ячейку 10 можно:

а) вводить в контакт, непосредственный или опосредованный, с окружающим воздухом (течеискание с помощью щупа), или

б) соединить с испытательной камерой 28, в которой размещен контролируемый объект, заполненный пробным газом (способ камеры (чехла), обеспечивающий течеискание по всему объекту), или

в) соединить с вакуумированным контролируемым объектом, который снаружи обдувают пробным газом (течеискание способом обдува или способом накопления в вакууме).

Затем пробный газ проходит через мембрану 13 и достигает внутреннего пространства 11 ячейки 10. Перед входом может быть предусмотрена настроечная течь 30, из которой пробный газ выходит с заданным объемным расходом. Настроечная течь 30 используется для калибровки течеискатели для получения количественной информации о концентрации пробного газа.

Кроме того, ячейка 10 снабжена входом 32 буферного газа, через который подается буферный газ, ионизируемый возбуждающим устройством 25. Кроме того, ячейка 10 посредством подключения 33 соединена с вакуум-насосом, отсасывающим из ячейки 10 смесь буферного газа и пробного газа.

Показанный на фиг. 3 вариант осуществления изобретения отличается от предыдущего варианта осуществления изобретения тем, что ячейка 10 не соединена с вакуум-насосом. Ячейка 10 имеет вход 12 пробного газа, соединенный с испытательной камерой 28. Кроме того, ячейка имеет измерительный участок 14, а также возбуждающее устройство 25, образованное электродами.

Показанная на фиг. 3 ячейка 10 снабжена откачным подключением 35, соединенным с камерой 36 всасывания. Камера 36 всасывания имеет подключение 37 линии подачи буферного газа и откачное подключение 38, соединенное с вакуум-насосом (не показан). Функция откачного подключения 35 заключается в избирательном пропускании из ячейки 10 в камеру 36 всасывания только пробного газа. Оно выполнено такой же конфигурации, что и вход 12 пробного газа. Вместе с камерой 36 всасывания откачное подключение 35 образует насос или клапан одностороннего действия для удаления пробного газа из ячейки 10.

Показанный на фиг. 4 вариант осуществления изобретения большей частью подобен показанному на фиг. 2, однако с той разницей между ними, что здесь, в отличие от варианта по фиг. 2, отсутствует испытательная камера 28. Вход 12 пробного газа открыт для контакта с окружающим воздухом либо непосредственно, либо за счет всасывания окружающего воздуха через ведущий к щупу трубопровод и подачи его к входу 12. Когда облако 40 пробного газа достигает входа 12 пробного газа, оно всасывается, и пробный газ поступает в ячейку 10, где он переводится в метастабильное состояние, а затем происходит его регистрация (обнаружение). Кроме того, ячейка имеет подключение 41 линии подачи буферного газа и откачное подключение 38, которое может быть присоединено к вакуум-насосу, как показано на фиг. 2. Показанный на фиг. 4 вариант осуществления изобретения подходит для использования в качестве течеискателя щупового типа.

На фиг. 5 показан другой вариант осуществления изобретения течеискателя, содержащего ячейку 10 с входом 12 пробного газа, а также измерительный участок 14 описанного выше типа. Ячейка 10 не имеет откачного подключения. Когда перед входом 12 пробного газа присутствует пробный газ, внутри ячейки 10 устанавливается давление, равное парциальному давлению пробного газа (гелия) перед мембраной. Если из пространства перед мембраной пробный газ удален, то происходит истечение пробного газа обратно в атмосферу из ячейки 10 через вход 12 пробного газа.

Показанный на фиг. 5 вариант осуществления изобретения также содержит возбуждающее устройство (не показано), заставляющее находящийся в ячейке 10 гелий принимать метастабильное состояние, что дает возможность его оптического обнаружения. Когда метастабильный гелий контактирует со стенкой ячейки, входом пробного газа или с другим устройством, он теряет энергию и, таким образом, восстанавливается до своего основного (невозбужденного) состояния. Следовательно, выходящий из ячейки 10 гелий уже не находится в метастабильном состоянии.

Хотя в данном документе изобретение описано и проиллюстрировано со ссылками на конкретные иллюстративные варианты его осуществления, эти варианты не предназначены для ограничения объема изобретения. Специалистам понятно, что возможны видоизменения и модификации без отступления от объема изобретения, установленного прилагаемой формулой изобретения. Следовательно, все такие видоизменения и модификации следует считать охваченными изобретением, если они попадают в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Изобретение относится к области оптических методов контроля и касается течеискателя. Течеискатель включает в себя ячейку с входом пробного газа, селективно или исключительно проницаемую для пробного газа мембрану и оптический измерительный участок, образованный лазером и фотодетектором. Ячейка содержит возбуждающее устройство, способное переводить пробный газ в энергетически более высокое метастабильное состояние. В качестве возбуждающего устройства применяется источник электронов, использующий электронные удары для перевода пробного газа в метастабильное состояние. Технический результат заключается в упрощении устройства, повышении чувствительности и быстродействия. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Течеискатель с оптическим обнаружением пробного газа, содержащий:
- ячейку (10) с входом (12) пробного газа, имеющим мембрану (13), селективно или исключительно проницаемую для пробного газа, причем ячейка (10) имеет источник электронов, использующий электронные удары для перевода пробного газа в метастабильное состояние,
- возбуждающее устройство (25) в ячейке (10), способное переводить пробный газ в энергетически более высокое метастабильное состояние, и
- оптический измерительный участок (14), образованный лазером (15) и фотодетектором (16), принимающим лазерный луч.

2. Течеискатель по п. 1, в котором ячейка (10) соединена с вакуум-насосом.

3. Течеискатель по п. 1, в котором ячейка (10) дополнительно имеет откачное подключение (35) с мембраной, селективно или исключительно проницаемой для пробного газа, причем откачное подключение соединяет ячейку с откачивающей камерой (36), которая, в свою очередь, соединена с вакуум-насосом.

4. Течеискатель по п. 3, в котором откачивающая камера (36) имеет подключение (37) линии подачи буферного газа и откачное подключение (38).

5. Течеискатель по п. 1, в котором ячейка (10) герметично изолирована, за исключением входа (12) пробного газа, при этом внутри ячейки устанавливается парциальное давление пробного газа, равное парциальному давлению пробного газа в окружающей среде.