專利名稱：用氫作示蹤氣體的檢漏裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過噴涂(spraying)技術(shù)檢測，例如，從幾Pa. m3/s到10_6Pa. m3/s范圍內(nèi)的大泄漏的裝置。
背景技術(shù)：
通過噴涂檢漏的技術(shù)包括將被測物體放入氣氛主要包含示蹤氣體的密封腔內(nèi)。物體中的氣體被抽到例如IOhI^a量級的低壓力。然后在檢漏器的幫助下，通過逐點檢測放入檢測腔中的物體中示蹤氣體的存在而測試大泄漏的存在。被測物體的內(nèi)部氣氛與示蹤氣體檢測器相連。多種檢漏方法已公知。第一種方法使用氦作為示蹤氣體，使用質(zhì)譜儀作為檢測器。這利用了氦的分子尺寸小因此比其它氣體更容易穿過小泄漏的性質(zhì)。因此這種方法具有高靈敏度，通常用來檢測在10_5到10_12l^.m7s范圍內(nèi)的泄漏。然而，氦方法具有示蹤氣體昂貴并且需要在被檢物體內(nèi)創(chuàng)造真空以允許操作質(zhì)譜儀的缺點。為了保持很低的壓力，需要大并且昂貴的抽氣設(shè)備。另外，當(dāng)被測物體的體積很大時，達到要求的壓力水平很困難甚至是不可能的。即使可以達到要求的壓力水平，也需要很長的抽氣周期。當(dāng)泄漏速率很高時，有損壞質(zhì)譜儀的危險。質(zhì)譜儀的燈絲可能被污染甚至被破壞。最后，維護這樣復(fù)雜的一個系統(tǒng)的費用很高。為了克服上述缺點，我們發(fā)展了使用氫作為示蹤氣體的方法。氫具有在被測物體內(nèi)擴散速率極快并且比氦的消散更快的優(yōu)點。氫比氦更便宜并且通過在大壓力下操作的不同類型的傳感器進行檢測。為此，因為花費少且操作簡單，此方法為工業(yè)提供了極有利的備選方案。然而，此方法比氦方法的靈敏度低，限制了其應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種檢漏裝置，該裝置可以高靈敏度地檢測高達10_6Pa. m3/s的大泄漏。本發(fā)明還提供一種穩(wěn)健(robust)、輕便并且價低的檢漏裝置。本發(fā)明涉及一種用氫作為示蹤氣體的檢漏裝置，旨在該裝置與被測物體相連，該裝置包括置入低壓腔內(nèi)的氫傳感器并且包括二極管，電阻器和柵極被鈀催化劑覆蓋的MOS 型晶體管，與低壓腔相連的抽吸裝置，被配置為測量由與抽吸裝置相連的低壓腔形成的真空管路中的壓力的壓力測量儀，以及多通閥門，該多通閥門包括允許包含示蹤氣體的氣流進入真空管路的第一口和允許中性氣體進入的第二口。所述第二口被配置為根據(jù)壓力測量儀來控制真空管路中的壓力。術(shù)語多通閥門指包括一個或更多閥門的任何裝置，其被配置為控制至少三個口之間的相互連接，該至少三個口包括與被測物體連接的第一口，與傳感器連接的第二口和用于諸如空氣進入的至少一個第三口。根據(jù)第一實施例，第二通道被配置為對外部氣氛開放。根據(jù)第二實施例，該裝置還包括插入在傳感器和多通閥門之間的顆粒過濾器以便在氣體進入并與氫傳感器接觸前過濾氣體中包含的塵粒。根據(jù)第三實施例，該裝置還包括電子控制模塊，其被配置為接收通過壓力測量儀測量的真空管路的壓力的值，以及接收設(shè)定點值并且根據(jù)這些值控制中性氣體的進入。根據(jù)第四實施例，該裝置還包括計算泄漏速率的數(shù)學(xué)模型，該模型基于作為時間的函數(shù)的包含在傳感器中的晶體管的漏極-源極電壓的變化。根據(jù)第五實施例，該裝置還包括用于平衡傳感器的電阻器的電壓的電路。該用于平衡傳感器的電阻器的電壓的電路被有利地配置為保持固定溫度而不考慮低壓腔中的壓力的值。固定溫度在例如100°C和250°C之間。低壓腔中的壓力在例如1001 和50001 之間。如上所述，本發(fā)明還涉及一種通過檢漏裝置對被測物體進行檢漏的方法，其中通過控制中性氣體經(jīng)過多通閥門的第二進入口對真空管路的進入而控制真空管路的壓力。根據(jù)一個實施例，其中通過根據(jù)壓力的測量和預(yù)定設(shè)定點的值自動控制第二口來控制中性氣體的進入。本發(fā)明具有許多優(yōu)點，對于高達10_6Pa.m7S的泄漏速率，在極低的壓力下，檢測裝置具有很高的靈敏度。氫傳感器可以在100 和5000 之間的低壓力下使用，例如 IOOOf^(IOmbar)，該壓力易于用例如小型隔膜真空泵達到，而不需要昂貴且笨重的大功率真空系統(tǒng)。氫傳感器制造成本經(jīng)濟并且壽命很長。如果需要，氫傳感器易于更換。該氫傳感器使得檢測裝置輕便且簡潔，因此易于運輸。該傳感器易于集成到包括檢漏裝置的已有設(shè)備中。本發(fā)明可以應(yīng)用于所有類型的物體，但是更適合應(yīng)用于用于工業(yè)生產(chǎn)的不要求很高真空度的室，例如，用于材料處理或涂層沉積(例如墨鏡鏡片)的真空烘箱。


考慮到下面對實施例的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將更加顯而易見，本發(fā)明的實施例是用于說明目的而不是限制。在附圖中圖1示出了檢測配置中檢漏裝置的第一實施例；圖2示出了穩(wěn)定真空管路的壓力的方法；圖3示出了氫傳感器的實施例；圖4示出了用以評價氫傳感器靈敏度的測試裝置的實例；圖5示出了氫傳感器的靈敏度測試作為測試裝置中壓力的函數(shù)的結(jié)果以伏特為單位的氫傳感器的電阻器上的電壓V在縱坐標(biāo)上標(biāo)出，以mbar為單位的壓力P在橫坐標(biāo)上標(biāo)出；圖6示出了對于不同的泄漏速率值和不同的測試裝置中的壓力，氫傳感器的靈敏度測試結(jié)果；圖7示出了對于泄漏和氫傳感器之間不同的距離和不同的泄漏速率，氫傳感器的靈敏度測試結(jié)果；圖8示出了測試裝置的另一實例，制造根據(jù)其相對于測試氣流的位置來評價氫傳感器的靈敏度；
圖9示出了在檢漏裝置中不同位置的氫傳感器的靈敏度測試結(jié)果。在圖6、7和9中，在縱坐標(biāo)上標(biāo)出作為在橫坐標(biāo)上標(biāo)出的以mbar. 1. s—1為單位的泄漏速率L的函數(shù)的以mV/s為單位的關(guān)于時間的壓力變化Δ V。在這些圖中，用相同的標(biāo)號表示相同的元件。
具體實施例方式在圖1示出的實施例中，檢漏裝置1包括與被測物體3的內(nèi)部氣氛連接的氫傳感器2。檢測裝置1包括多通閥門，特別地，可以是三通閥門4，其控制氫傳感器2與測試物體 3的連通以允許包含示蹤氣體的氣流進入檢漏裝置1，包括在傳感器2和三通閥門4之間插入的顆粒過濾器5，以在氣體進入并與氫傳感器2接觸前過濾氣體中包含的塵粒。過濾器5 的存在可以保護傳感器2并延長其壽命。根據(jù)一個變體，三通閥門4可以用于調(diào)整空氣的進入，以便在由與抽吸裝置 連接的低壓腔6形成的真空管路中保持100 和5000 之間例如1000 的低壓力。作為備選，三通閥門4可以安排在傳感器之后。氫傳感器2被放入與抽吸裝置7連接的低壓腔6中，一方面使低壓腔6到達并保持低壓力，例如lOOOPa，另一方面在檢測裝置1中產(chǎn)生氣流8。降低壓力的抽吸裝置7放置在氫傳感器2的下游，與來自被測物體3的氣體的到達方向相對，以便產(chǎn)生氣體8的回路。 因此傳感器2的上游氣體沒有聚集，僅有來自泄漏的將被測量的氫分子與氫傳感器2接觸。 這樣裝配具有提高傳感器2的響應(yīng)時間的優(yōu)點。優(yōu)選這樣安排氫傳感器2以便傳感器2的探頭(head)面向來自被測物體3并且被抽吸裝置7抽吸的含氫氣流8，從而增加氫傳感器 2的靈敏度。抽吸裝置7可以是任意類型，例如真空泵，例如隔膜真空泵；特別地，優(yōu)先選用在“ADIXEN”商標(biāo)下的具有“AMD4”標(biāo)記的隔膜真空泵。諸如壓力計的壓力測量儀9安裝在與低壓腔6和抽吸裝置7相連的管道上，以便控制在低壓腔6中達到的壓力。為了測量泄漏，檢測裝置1的入口與被測物體3相連。抽吸裝置7降低真空管路中的壓力。然后，三通閥門4逐漸打開。檢漏裝置包括電子控制模塊，其被配置為接收通過壓力測量儀9測量的真空管路的壓力值，被配置為接收設(shè)定點值，以及被配置為根據(jù)這些值控制中性氣體的進入。電子控制模塊可以確保真空管路達到穩(wěn)定的壓力例如lOOOPa，其目的是避免泄漏測量中的波動。然后，測量可以開始。被測物體3的外部用例如95%的氮氣和5%的氫氣組成的混和氣的氣體噴涂。在抽氣作用下，在泄漏位置，這些氣體的一部分通過被測物體3的壁，并進入檢漏裝置1。在被測物體3的外表面的每一個區(qū)域，一步一步進行氣體噴涂，在每一步之間等待幾秒鐘以允許抽吸的氣體有時間到達氫傳感器2?？梢韵驒z漏裝置添加用于調(diào)整溫度的電子裝置以便溫度不影響壓力。圖2示出了保持穩(wěn)定壓力的方法步驟。在第一步101中，使用壓力測量儀9測量真空管路中的壓力。在第二步102中，電子控制模塊將測量儀9測量的壓力值和設(shè)定點壓力值進行比較。在第三步103中，電子控制模塊促使第二氣體進入口打開和閉合以便真空管路中的壓力達到設(shè)定點壓力值。此方法在泄漏測量期間循環(huán)。根據(jù)測量的壓力和預(yù)定設(shè)定點壓力值自動控制氣體的進入。現(xiàn)在考慮圖3，該圖示出了氫傳感器20的實施例。傳感器20包括互相連接的二極管21，電阻器22和晶體管23。晶體管23是MOSFET型(“金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”)場效應(yīng)晶體管。晶體管23為“η”型并具有三個有源電極柵極M，漏極25和源極26。柵極M與漏極25相連。晶體管23通過施加到柵極M上的信號調(diào)制流過其的電流， 從而控制漏極25和源極沈之間的電壓。柵極M被鈀基催化劑覆蓋。當(dāng)氫氣H2分子到達并與柵極對的鈀基催化劑接觸時，氫氣裂開以提供H+。H+離子擴散穿過催化劑并被俘獲在晶體管23的柵極M上。這引起了晶體管23的漏極25-源極沈電阻的變化，晶體管23的漏極25-源極沈的電阻形成了傳感器的核心，以實現(xiàn)測量泄漏的功能。通過向晶體管23 的漏極25注入穩(wěn)恒電流，獲得電壓V，該電壓V表示被柵極M俘獲的氫離子H+的量，從而可以評價與柵極M接觸的氫的流量。具體地，電子控制模塊包括，用于驅(qū)動檢漏裝置的電子電路和用于計算泄漏速率的數(shù)學(xué)模型。開發(fā)與傳感器20的氫敏感度相聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型用于給出泄漏速率的測量值， 該模型基于作為時間的函數(shù)的晶體管23的漏極25-源極沈電壓的變化?？梢蕴砑踊诖藬?shù)學(xué)模型的具有固定泄漏速率的自動校準(zhǔn)選項，因為撞擊到晶體管23的柵極M的活性表面上的氫原子的數(shù)目與低壓腔6中的壓力成比例，因此漏極25-源極沈電阻與在低壓腔6 中的晶體管23周圍的絕對氫壓力成比例。在1000 的剩余壓力下，在約25μ s內(nèi)將形成氫原子的單層。加熱電阻器22可以將氫傳感器20加熱到例如130°C的溫度，此量級的溫度有利地增加氫傳感器20的靈敏度。但是，受晶體管23中硅的限制，溫度不能超過250°C。測試顯示，在180°C的溫度下使用不會受損壞。例如，氫傳感器20的加熱電阻器的電阻值可以在70Ω到80Ω之間；在大的氣氛壓力下，加熱電流可以為從60到80mA，S卩加熱功率約為 0. 4ff0二極管21用于測量氫傳感器20的溫度。對此二極管，當(dāng)在其終端的電壓達到 590mV時，提供給其的電流能達到1mA。這個電壓值對應(yīng)于130°C的溫度。二極管的溫度系數(shù)是-1. 6mV/K?？紤]到安全原因，使用由95%的氮氣和5%的氫氣構(gòu)成的混合氣體，在溫度沒有達到130°C前不讓氣體與氫傳感器20接觸，以避免催化劑的任何劣化。在極低的壓力下使用氫傳感器20以便僅與少量的氫接觸，同樣是為了保護氫傳感器20。測量完成后，可以通過注入含有5%氫的混合氣約10秒鐘，在飽和后升高到促進恢復(fù)的溫度，從而對氫傳感器20進行清洗。圖4示出了測試裝置30，用于評價氫傳感器31對測試裝置30中的壓力的靈敏度。 測試裝置30包括放入與抽吸裝置7通過管道連接的低壓腔6中的氫傳感器31，低壓腔和管道共同形成了真空管路?；趬毫y量儀9測量的結(jié)果控制真空管路中的壓力。測試裝置 30包括由進入閥門33控制的空氣入口 32。測試裝置30還包括用于示蹤氣體的入口 34，失蹤氣體在這里為由95%的氮氣和5%的氫氣構(gòu)成的混合氣體，其流量由微閥35控制。手動操作安排在微閥35任意一側(cè)的第一截止閥36和第二截止閥37，以允許或中斷示蹤氣體流量?？諝馊肟?32和示蹤氣體入口 34通過公共管道與含氫傳感器31的低壓腔6連通。第一，評價了氫傳感器31對真空管路中的壓力的靈敏度。通過一方面的抽吸裝置 7和另一方面的壓力測量儀9保持將真空管路保持在低壓力，例如，lOOOPa，如果需要，控制進入閥門33允許引入空氣以將壓力重設(shè)到固定值。傳感器31的電阻器用于將氫傳感器31 加熱到130°C以提高其靈敏度。圖5示出了傳感器31的電阻器的電壓作為低壓腔6中的壓力的函數(shù)的靈敏度。從中可以看出測量具有好的可重復(fù)性并且氫傳感器31對于壓力具有高的靈敏度，因為曲線的上升40和下降41 一致。此測試證明傳感器31的電阻器的電壓對壓力敏感。如果壓力發(fā)生變化，電阻器的電壓將產(chǎn)生變化，這將導(dǎo)致氫傳感器的溫度改變。這可通過以下方面顯現(xiàn)，修改氫傳感器31的靈敏度從而改變檢測的泄漏值。源于此靈敏度，制造了用于平衡電壓的電路，以便不管壓力為多少，傳感器31始終加熱到相同的溫度。其次，針對真空管路中不同的壓力P和不同的泄漏速率評價了氫傳感器31的靈敏度。圖6示出了以mV/s為單位的隨時間的電壓變化AV作為多個泄漏速率L的值的函數(shù)。 真空管路中的壓力為下述壓力P的情況下進行測試
權(quán)利要求
1.一種用氫作為示蹤氣體的檢漏裝置(1)，旨在所述裝置與被測物體C3)相連，所述裝置包括氫傳感器(2，20)，置入低壓腔(6)中，并且包括二極管電阻器02)，以及MOS型晶體管(23)，所述晶體管的柵極04)被鈀催化劑覆蓋，抽吸裝置(7)，與所述低壓腔(6)相連，壓力測量儀(9)，被配置為測量由與所述抽吸裝置相連的所述低壓腔形成的真空管路中的壓力，多通閥門G)，包括允許包含所述示蹤氣體的氣流進入所述真空管路的第一口和允許中性氣體進入的第二口，其中，所述第二口被配置為根據(jù)所述壓力測量儀來控制所述真空管路中的所述壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的檢漏裝置，其中所述第二口被配置為對外部氣氛開放。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的檢漏裝置，還包括插入在所述氫傳感器O，20)和所述多通閥門(4)之間的顆粒過濾器(5)以在氣體進入并與所述氫傳感器O，20)接觸前過濾所述氣體中包含的塵粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的檢漏裝置，還包括電子控制模塊，被配置為接收通過所述壓力測量儀(9)測量的所述真空管路的所述壓力的值，接收設(shè)定點值以及根據(jù)這些值控制所述中性氣體的進入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的檢漏裝置，還包括用于計算泄漏速率的數(shù)學(xué)模型，該模型基于作為時間的函數(shù)的包含在所述氫傳感器O，20)中的所述晶體管的漏極-源極電壓的變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的檢漏裝置，還包括用于平衡所述傳感器的所述電阻器的電壓的電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的檢漏裝置，其中用于平衡所述傳感器的所述電阻器的所述電壓的所述電路被配置為保持固定溫度而不考慮所述真空管路的所述壓力的值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的檢漏裝置，其中所述固定溫度在100°C和250°C之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的檢漏裝置，其中在所述低壓腔(6)中的所述壓力在100 和 5000Pa 之間。
10.一種通過檢漏裝置對被測物體進行檢漏的方法，其中通過控制中性氣體經(jīng)過多通閥門的第二進入口對所述真空管路的進入而控制所述真空管路的壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的檢漏方法，其中通過根據(jù)所述壓力的測量和預(yù)定設(shè)定點的值自動控制所述第二口來控制所述中性氣體的進入。
全文摘要
本發(fā)明涉及用氫作示蹤氣體的檢漏裝置和方法。旨在一種用氫作為示蹤氣體的檢漏裝置與被測物體相連。該檢漏裝置包括置入低壓腔內(nèi)的氫傳感器，該氫傳感器包括二極管、電阻器和柵極被鈀催化劑覆蓋的MOS型晶體管；與低壓腔相連抽吸裝置；被配置為測量由與抽吸裝置相連的低壓腔形成的真空管路中的壓力的壓力測量儀；多通閥門，其包括允許包含示蹤氣體的氣流進入真空管路的第一口和允許中性氣體進入的第二口。檢漏裝置還包括顆粒過濾器、用于控制該裝置的電子控制模塊、用于計算泄漏速率的數(shù)學(xué)模型以及用于平衡傳感器的電阻器的電壓的電路。該方法可以穩(wěn)定真空管路中的壓力以避免氫氣測量中的波動。
文檔編號G01M3/20GK102539082SQ201110425148
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者F·魯韋爾, K·帕特爾 申請人:阿迪森真空產(chǎn)品公司