專利名稱：用于示蹤氣體泄漏檢測(cè)的校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用示蹤氣體(tracer gas)檢測(cè)密封部件中的泄漏，尤其涉及用于泄漏檢測(cè)器的校準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施方式中，利用一個(gè)校準(zhǔn)泄漏(calibrated leak) 來對(duì)兩個(gè)或更多個(gè)泄漏檢測(cè)范圍進(jìn)行校準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
利用氦或氫作為示蹤氣體的泄漏檢測(cè)是公知的。氦通過密封測(cè)試件中最小的泄漏。在通過測(cè)試件中的泄漏之后，氦被抽吸到泄漏檢測(cè)儀中并被測(cè)量。測(cè)量到的氦的量對(duì)應(yīng)于泄漏速率。在一種方法中，測(cè)試件的內(nèi)部被耦合到泄漏檢測(cè)器的測(cè)試端口。氦被噴射到測(cè)試件的外部，通過泄漏處被吸入內(nèi)部，并且被泄漏檢測(cè)器測(cè)量。在另一種方法中，測(cè)試件用氦加壓。與泄漏檢測(cè)器的測(cè)試端口連接的嗅探器探針在測(cè)試件的外部周圍移動(dòng)。氦通過測(cè)試件中的泄漏處，被抽吸到探針中并且被泄漏檢測(cè)器測(cè)量。
為了滿足工業(yè)的嚴(yán)苛要求，示蹤氣體泄漏檢測(cè)器需能夠精確校準(zhǔn)并且具有低的所有權(quán)成本。泄漏檢測(cè)器的精確校準(zhǔn)可以通過如下來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益值，直到泄漏檢測(cè)器指示具有已知的泄漏速率的校準(zhǔn)泄漏標(biāo)準(zhǔn)物(也稱為校準(zhǔn)泄漏)的預(yù)定值。在各種應(yīng)用中，可以在若干數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)，諸如10-3std-cc/sec到10-9std-cc/sec (也被稱為E-03 std-cc/sec 到 E-09std-cc/sec，或簡(jiǎn)稱 E-03 到 E-09)，測(cè)量泄漏速率。
在圖1中示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器。測(cè)試端口 30通過逆流閥32和34與前置泵36聯(lián)接。泄漏檢測(cè)器還包括具有固定旋轉(zhuǎn)速度的渦輪泵(渦輪分子真空泵)40。測(cè)試端口 30通過中間閥42和44與位于渦輪泵40上、處于前級(jí)管線48和入口 50之間的中間端口 46聯(lián)接。前級(jí)管線閥52將前置泵36與渦輪泵40的前級(jí)管線48 聯(lián)接。渦輪泵40的入口 50與質(zhì)譜儀60的入口聯(lián)接。泄漏檢測(cè)器還包括測(cè)試端口熱電偶 62和排氣閥64 (兩者都與測(cè)試端口 30聯(lián)接)、通過校準(zhǔn)泄漏閥68與中間端口 46聯(lián)接的校準(zhǔn)泄漏66以及與前置泵36聯(lián)接的壓載閥(ballast valve) 70。
在操作中，前置泵36首先通過關(guān)閉前級(jí)管線閥52和排氣閥64并且打開逆流閥32 和34，抽空測(cè)試端口 30和測(cè)試件(或嗅探器探針)。當(dāng)測(cè)試端口 30處的壓強(qiáng)達(dá)到與渦輪泵40的前級(jí)管線壓強(qiáng)相容的水平時(shí)，前級(jí)管線閥52被打開，將測(cè)試端口 30與渦輪泵40的前級(jí)管線48相連。氦示蹤氣體被抽吸通過測(cè)試端口 30，并且沿相反方向擴(kuò)散通過渦輪泵 40，到達(dá)質(zhì)譜儀60。因?yàn)闇u輪泵40對(duì)于樣品中較重的氣體具有低得多的反向擴(kuò)散速率，其將這些氣體與質(zhì)譜儀60阻隔，由此高效地分離出示蹤氣體，所述示蹤氣體擴(kuò)散通過渦輪泵 40到達(dá)質(zhì)譜儀60，并被測(cè)量。
在圖1的現(xiàn)有技術(shù)的泄漏檢測(cè)器中，通過對(duì)各個(gè)數(shù)量級(jí)的測(cè)量范圍使用不同的校準(zhǔn)泄漏66，執(zhí)行校準(zhǔn)。就是說，根據(jù)被校準(zhǔn)的測(cè)量范圍的數(shù)量級(jí)，選擇具有適當(dāng)泄漏速率的校準(zhǔn)泄漏。選定的校準(zhǔn)泄漏被安裝到系統(tǒng)上，并且測(cè)量來自質(zhì)譜儀60的信號(hào)。校準(zhǔn)泄漏的測(cè)量值和已知值之間的差提供了對(duì)于選定數(shù)量級(jí)的測(cè)量范圍的校準(zhǔn)值。
在圖1的泄漏檢測(cè)器中，不同的校準(zhǔn)泄漏被分別用于校準(zhǔn)各個(gè)數(shù)量級(jí)的測(cè)量范圍。就是說，如果使用者將在E-05泄漏速率范圍內(nèi)對(duì)部件進(jìn)行泄漏測(cè)試，則測(cè)試系統(tǒng)將利用E-05范圍校準(zhǔn)泄漏進(jìn)行校準(zhǔn)。如果使用者將在E-06泄漏速率范圍內(nèi)進(jìn)行泄漏測(cè)試，則使用E-06范圍校準(zhǔn)泄漏。在具有多個(gè)不同的待進(jìn)行泄漏測(cè)試的部件的生產(chǎn)工廠中，不同的泄漏測(cè)試系統(tǒng)可能同時(shí)在不同的泄漏速率范圍內(nèi)工作。
如上所述的，用于泄漏檢測(cè)器的校準(zhǔn)過程需要設(shè)定系統(tǒng)增益值，以補(bǔ)償測(cè)量泄漏速率，使其等于已知的泄漏標(biāo)準(zhǔn)值。在具體校準(zhǔn)點(diǎn)以上或以下的一定范圍內(nèi)，泄漏測(cè)量能力可以被線性地縮放。但是，在準(zhǔn)確性很重要的情況下，使用用于具體的測(cè)量數(shù)量級(jí)的校準(zhǔn)泄漏標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)校準(zhǔn)泄漏標(biāo)準(zhǔn)要花費(fèi)數(shù)百美元，并且需要定期校準(zhǔn)。用于獲得和重新校準(zhǔn)泄漏標(biāo)準(zhǔn)以及維護(hù)校準(zhǔn)跟蹤記錄的成本對(duì)于工業(yè)使用者來說是一筆重大的成本。
因此，需要用于示蹤氣體泄漏檢測(cè)的改進(jìn)的校準(zhǔn)方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種示蹤氣體泄漏檢測(cè)器包括測(cè)試端口，其用于接收包含示蹤氣體的測(cè)試樣品；真空泵，其與所述測(cè)試端口聯(lián)接；校準(zhǔn)泄漏，其用于提供包含所述示蹤氣體的校準(zhǔn)樣品；質(zhì)量過濾器，其在操作模式下與所述測(cè)試端口聯(lián)接，以接收所述測(cè)試樣品，并且其在校準(zhǔn)模式下通過校準(zhǔn)泄漏閥與所述校準(zhǔn)泄漏聯(lián)接，以接收所述校準(zhǔn)樣品，所述質(zhì)量過濾器具有可控的示蹤氣體傳送，并且提供經(jīng)過濾的樣品；檢測(cè)器，其用于檢測(cè)所述經(jīng)過濾的樣品中的所述示蹤氣體，并且提供檢測(cè)器信號(hào)；可編程增益元件，其響應(yīng)于所述檢測(cè)器信號(hào)提供泄漏速率的測(cè)量值；以及控制器，其配置來響應(yīng)于模式控制信號(hào)在所述校準(zhǔn)模式下操作所述泄漏檢測(cè)器，其中，所述控制器被配置來利用所述校準(zhǔn)泄漏在兩個(gè)或更多個(gè)工作范圍內(nèi)校準(zhǔn)所述泄漏檢測(cè)器。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種用于校準(zhǔn)示蹤氣體泄漏檢測(cè)器的方法，包括將校準(zhǔn)樣品從校準(zhǔn)泄漏通過校準(zhǔn)泄漏閥供應(yīng)到質(zhì)量過濾器，所述質(zhì)量過濾器響應(yīng)于所述校準(zhǔn)樣品提供經(jīng)過濾的樣品；檢測(cè)所述經(jīng)過濾的樣品并提供檢測(cè)器信號(hào)；利用可編程增益元件調(diào)節(jié)所述檢測(cè)器信號(hào)，以提供泄漏速率的測(cè)量值；通過針對(duì)所述校準(zhǔn)泄漏校準(zhǔn)第一測(cè)量值，確定對(duì)于第一工作范圍的第一校準(zhǔn)值；以及通過針對(duì)所述校準(zhǔn)泄漏校準(zhǔn)第二測(cè)量值，確定對(duì)于第二工作范圍的第二校準(zhǔn)值。


為了更好地理解本發(fā)明，將參考附圖，所述附圖通過引用被并入本文并且其中 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器的示意性框圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器的示意性框圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在圖2中所示的系統(tǒng)控制器的框圖； 圖4是示出了用于不同的泄漏檢測(cè)工作范圍的校準(zhǔn)和操作參數(shù)的表；以及 圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在圖2中所示的泄漏檢測(cè)器的操作的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖2中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示蹤氣體檢測(cè)器。測(cè)試端口 130通過測(cè)試端口閥132與渦輪泵(渦輪分子真空泵)140的前級(jí)管線148聯(lián)接，所述渦輪泵140 充當(dāng)可控的質(zhì)量過濾器。測(cè)試端口 130還與前置泵136聯(lián)接。待測(cè)試單元134或嗅探器探針(沒有示出)可以被連接到測(cè)試端口 130。渦輪泵140的入口 150與質(zhì)譜儀160的入口聯(lián)接，所述質(zhì)譜儀160充當(dāng)示蹤氣體檢測(cè)器。質(zhì)譜儀160將檢測(cè)器信號(hào)180供應(yīng)到系統(tǒng)控制器182。校準(zhǔn)泄漏166通過校準(zhǔn)泄漏閥168而與渦輪泵140的中間端口 146聯(lián)接。具有反饋控制的可變速渦輪泵控制器190如下所述地控制渦輪泵140的速度。系統(tǒng)控制器182 包括可編程增益元件192，所述可編程增益元件192接收檢測(cè)器信號(hào)180并且如下所述地施加可編程增益。在如下所述的操作模式和校準(zhǔn)模式期間，系統(tǒng)控制器182控制泄漏檢測(cè)器的元件，包括質(zhì)譜儀160、渦輪泵140、校準(zhǔn)泄漏閥168、渦輪泵控制器190和校準(zhǔn)泄漏166。
在其他實(shí)施方式中，可選的外部校準(zhǔn)泄漏170可以通過閥172而與測(cè)試端口 130 連接。閥172可以被直接連接到測(cè)試端口 130，或者可以被連接到待測(cè)試單元134。外部校準(zhǔn)泄漏170提供了在校準(zhǔn)期間要使用的替代性泄漏標(biāo)準(zhǔn)。
圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的系統(tǒng)控制器182的簡(jiǎn)化框圖。系統(tǒng)控制器 182包括控制器220，所述控制器220如下所述地在操作模式和校準(zhǔn)模式期間控制泄漏檢測(cè)器?？刂破?20可以是可編程數(shù)字處理器，諸如微處理器或處理控制器，也可以是硬連線控制器，諸如ASIC或硬連線電路。如果需要，到控制器220的模擬輸入可以被一個(gè)或多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入信號(hào)，并且控制器220的數(shù)字輸出可以被一個(gè)或多個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。
可編程增益元件222接收來自質(zhì)譜儀160的檢測(cè)器信號(hào)180，并且將經(jīng)過增益調(diào)節(jié)的數(shù)字值供應(yīng)給控制器220。控制器220將增益控制信號(hào)供應(yīng)給可編程增益元件222?？删幊淘鲆嬖?22可以是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，諸如Σ -Δ轉(zhuǎn)換器(sigma-delta converter), 雙斜率連續(xù)近似轉(zhuǎn)換器或快速轉(zhuǎn)換器(flash converter)，其中的任何一種具有如下的能力根據(jù)來自控制器220的命令，在幾毫秒內(nèi)以高的精度水平改變系統(tǒng)增益，以利用僅僅一個(gè)校準(zhǔn)泄漏而在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的工作范圍內(nèi)獲得精確的泄漏檢測(cè)器校準(zhǔn)。
控制器220接收模式控制信號(hào)，所述模式控制信號(hào)選定泄漏檢測(cè)器的操作模式或校準(zhǔn)模制。操作模式可以是可由用戶選定的。控制器220還接收校準(zhǔn)泄漏值(該值代表校準(zhǔn)泄漏166或校準(zhǔn)泄漏170的已知泄漏速率)，以及溫度值(該值代表校準(zhǔn)泄漏的當(dāng)前溫度)?？梢岳斫?，校準(zhǔn)泄漏166的泄漏速率可能隨溫度而改變。控制器220還接收由用戶選定的工作范圍。如下所討論的，泄漏檢測(cè)器可以在泄漏速率的幾個(gè)工作范圍內(nèi)操作，所有這些工作范圍都可以用一個(gè)校準(zhǔn)泄漏進(jìn)行校準(zhǔn)。
控制器220輸出校準(zhǔn)泄漏閥控制信號(hào)到校準(zhǔn)泄漏閥168，以控制校準(zhǔn)模式下的操作。渦輪泵速度控制信號(hào)被供應(yīng)給渦輪泵控制器190，以控制操作模式和校準(zhǔn)模式下的渦輪泵140的轉(zhuǎn)速。質(zhì)譜儀調(diào)諧信號(hào)被供應(yīng)給質(zhì)譜儀160，以控制質(zhì)譜儀的調(diào)諧，從而獲得最大的檢測(cè)器信號(hào)。已經(jīng)如下所述地被校準(zhǔn)的測(cè)量泄漏速率被輸出到顯示器230。
再參考圖2，渦輪泵140是質(zhì)量過濾器的一個(gè)實(shí)施方式，所述質(zhì)量過濾器將示蹤氣體(諸如氦氣)傳送到質(zhì)譜儀160并且基本阻隔樣品中的更重的氣體。通過調(diào)節(jié)渦輪泵 140的轉(zhuǎn)速，可以改變渦輪泵140的示蹤氣體傳送。轉(zhuǎn)速越高，傳送到質(zhì)譜儀160的示蹤氣體越少，相反地，轉(zhuǎn)速越低，傳送到質(zhì)譜儀160的示蹤氣體越多。渦輪泵140以所謂的“逆流”配置操作，其中，輕的示蹤氣體沿反方向從前級(jí)管線148行進(jìn)到渦輪泵140的入口 150，而較重的氣體被基本阻隔。
渦輪泵控制器190具有軟件控制的反饋環(huán)，以測(cè)量和報(bào)告實(shí)際的RPM并且非常精確地維持選定的設(shè)置，使得通過渦輪泵的氦氣流在選定的轉(zhuǎn)速下是恒定的。在正常泄漏測(cè)試操作期間，對(duì)于給定的工作范圍，渦輪泵RPM由控制器220自動(dòng)設(shè)定到預(yù)定轉(zhuǎn)速。選定的轉(zhuǎn)速提供適當(dāng)?shù)暮赓|(zhì)量過濾程度，以便在期望的工作范圍內(nèi)操作。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以使用質(zhì)量過濾器的其他實(shí)施方式。例如，其他類型的真空泵可以以逆流配置被使用。合適的真空泵的特征在于對(duì)于輕的氣體諸如示蹤氣體的低壓縮比和對(duì)于重的氣體的高壓縮比。實(shí)例包括分子拖曳真空泵、混雜泵(其利用渦輪分子級(jí)和分子拖曳級(jí)的組合)以及擴(kuò)散泵。在各種情況下，對(duì)于泄漏檢測(cè)器的不同工作范圍，可以通過調(diào)節(jié)質(zhì)量過濾器的參數(shù)諸如轉(zhuǎn)速來改變質(zhì)量過濾器對(duì)于示蹤氣體的傳送。
在其他實(shí)施方式中，質(zhì)量過濾器可以是示蹤氣體可透過的部件，諸如可透膜。這種可透部件可以可透過氦氣，并且可透部件的氦透過率可以是可控的。在一些實(shí)施方式中，可透部件包括石英部件。質(zhì)量過濾器可以還包括與可透部件熱接觸的加熱元件，并且控制器可以被配置來控制加熱元件?？赏覆考就ㄟ^或透過示蹤氣體，同時(shí)基本阻隔其他氣體、 液體和顆粒。如所指出的，石英是可透過氦氣的材料的實(shí)例。石英的氦氣透過率隨溫度變化。在300°C到900°C的范圍內(nèi)的升高的溫度下，石英具有較高的氦氣透過率。在室溫下， 石英具有較低的氦氣透過率?？赏覆考臏囟瓤梢员徽{(diào)節(jié)，以控制泄漏檢測(cè)器的不同工作范圍內(nèi)的氦氣透過率或傳送率。
質(zhì)量過濾器被用于允許示蹤氣體流入檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)基本阻隔其他氣體的流入， 由此在檢測(cè)器處創(chuàng)建高濃度的示蹤氣體，用于信號(hào)測(cè)量。中間端口 146提供較之前級(jí)管線 148大約十倍的到達(dá)檢測(cè)器的示蹤氣體流量。質(zhì)量過濾器由電子反饋環(huán)控制，所述電子反饋環(huán)控制示蹤氣體的傳送。在旋轉(zhuǎn)真空泵的情況下，可以控制轉(zhuǎn)速，而在可透部件的情況下， 可以控制溫度。
質(zhì)譜儀160是泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中常用的檢測(cè)器。但是也可以使用其他檢測(cè)器，諸如冷電極傳感器、離子泵、氫傳感器和其他可以檢測(cè)樣品中的示蹤氣體濃度的檢測(cè)器。
一個(gè)經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)泄漏166被安裝在泄漏檢測(cè)器中，利用校準(zhǔn)泄漏閥168來激活或失活示蹤氣體到真空系統(tǒng)和檢測(cè)器的流動(dòng)。在圖2的實(shí)施方式中，校準(zhǔn)泄漏166被安裝在渦輪泵140的中間端口處。中間端口 146被設(shè)計(jì)來使得在前級(jí)管線148和中間端口 146之間實(shí)現(xiàn)約10倍的信號(hào)強(qiáng)度。在利用已知的校準(zhǔn)泄漏進(jìn)行泄漏檢測(cè)器的校準(zhǔn)的過程中，精確的“系統(tǒng)增益”值被確定，以提供精確的絕對(duì)泄漏速率準(zhǔn)確度。
在本文所描述的實(shí)施方式中，校準(zhǔn)泄漏166是E-07氦泄漏，其便于低成本制造并且處于工業(yè)工作范圍的大約中間處。校準(zhǔn)泄漏由控制器220進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以針對(duì)環(huán)境溫度和校準(zhǔn)泄漏的值被測(cè)量時(shí)的溫度之間的差進(jìn)行調(diào)節(jié)。可以使用其他的校準(zhǔn)泄漏值，以滿足具體的應(yīng)用要求。
可編程增益元件222被用于在操作模式和校準(zhǔn)模式期間控制檢測(cè)器信號(hào)180?？删幊淘鲆嬖?22可以是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，諸如Σ-Δ轉(zhuǎn)換器、雙斜率連續(xù)近似轉(zhuǎn)換器或快速轉(zhuǎn)換器，其中的任何一種具有如下的能力根據(jù)來自控制器220的命令在幾毫秒內(nèi)以高的精度水平改變系統(tǒng)增益，以利用僅僅一個(gè)校準(zhǔn)泄漏在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的工作范圍內(nèi)獲得精確的泄漏檢測(cè)器校準(zhǔn)。
圖4中示出了示明了泄漏檢測(cè)器的若干工作范圍和用于操作模式和校準(zhǔn)模式的相應(yīng)參數(shù)的表。在圖4中，每個(gè)工作范圍覆蓋四個(gè)泄漏速率數(shù)量級(jí)，每個(gè)工作范圍的右欄沒有被用于測(cè)量。在圖4的實(shí)施方式中，用戶可以選擇覆蓋從E-03到E-06的泄漏速率的第一工作范圍、覆蓋從E-04到E-07的泄漏速率的第二工作范圍、覆蓋從E-05到E-08的泄漏速率的第三工作范圍以及覆蓋從E-06到E-09的泄漏速率的第四工作范圍。圖4中示出了對(duì)于各個(gè)工作范圍的渦輪泵轉(zhuǎn)速。此外，每個(gè)工作范圍與可編程增益元件222的操作增益和校準(zhǔn)增益相關(guān)聯(lián)。渦輪泵140的轉(zhuǎn)速和可編程增益元件222的增益被選擇為使得由校準(zhǔn)泄漏166產(chǎn)生的數(shù)字值2 處于控制器220的處理電路的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。如上所示，減小渦輪泵140的轉(zhuǎn)速增大示蹤氣體通過渦輪泵到達(dá)質(zhì)譜儀160的傳送。在一些情況下，校準(zhǔn)增益低于操作增益。這可能至少部分是由于如下的事實(shí)造成的校準(zhǔn)泄漏166與渦輪泵140 的中間端口 146連接，使得與從前級(jí)管線148到質(zhì)譜儀160的示蹤氣體的傳送相比，從校準(zhǔn)泄漏166到質(zhì)譜儀160的示蹤氣體的傳送更大。
圖5中示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在校準(zhǔn)模式下的泄漏檢測(cè)器的操作的流程圖。泄漏檢測(cè)器被設(shè)置來執(zhí)行期望的功能，諸如正常操作或校準(zhǔn)。如方框310所示，控制器220中的軟件維持預(yù)設(shè)的操作增益值，所述預(yù)設(shè)的操作增益值在正常的泄漏測(cè)試操作期間被使用。根據(jù)用戶選定的工作范圍，如圖4所示改變操作增益的值。如方框312所示， 控制器220中的軟件維持預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)增益值，并且根據(jù)用戶選擇的工作范圍調(diào)節(jié)校準(zhǔn)增益值。根據(jù)操作的選定模式和選定的工作范圍，軟件自動(dòng)地將增益值從操作增益改變?yōu)樾?zhǔn)增益。如方框316所示，控制器220控制對(duì)于在各個(gè)工作范圍中的泄漏測(cè)試操作所需的質(zhì)量過濾器的示蹤氣體傳送(通過質(zhì)量過濾器到達(dá)檢測(cè)器的示蹤氣體的量)?？勺兊馁|(zhì)量過濾將寬范圍的可能泄漏速率分級(jí)為泄漏檢測(cè)器系統(tǒng)的多個(gè)工作范圍。例如，通過改變渦輪分子泵的轉(zhuǎn)速或可透膜的溫度，可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量過濾器的示蹤氣體傳送。如方框314所示，響應(yīng)于用戶輸入來選擇操作模式或校準(zhǔn)模式。如方框318所示，根據(jù)選定的模式來控制校準(zhǔn)泄漏閥168，并且在校準(zhǔn)過程的各個(gè)步驟期間可以打開或關(guān)閉校準(zhǔn)泄漏閥168。這些設(shè)定操作允許泄漏檢測(cè)器在選定的工作范圍內(nèi)執(zhí)行校準(zhǔn)。
在動(dòng)作320中，校準(zhǔn)泄漏166的溫度被測(cè)量和存儲(chǔ)，并且在動(dòng)作322中，計(jì)算校準(zhǔn)泄漏的經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)闹?。控制?20存儲(chǔ)泄漏速率隨校準(zhǔn)泄漏的溫度的變化，并且對(duì)于校準(zhǔn)時(shí)的環(huán)境溫度自動(dòng)補(bǔ)償校準(zhǔn)泄漏值。在步驟324中，控制器測(cè)量和存儲(chǔ)基于電子噪聲水平的偏差值。在動(dòng)作3 中，校準(zhǔn)泄漏閥168被打開，并且在動(dòng)作3 中質(zhì)譜儀160被調(diào)諧， 以使得檢測(cè)器信號(hào)最大化。調(diào)諧可以通過如下來實(shí)現(xiàn)改變施加到示蹤氣體離子上的磁場(chǎng)或調(diào)節(jié)質(zhì)譜儀內(nèi)的離子電壓，以使得通過狹縫并被檢測(cè)的示蹤氣體離子的數(shù)目最大化。
在動(dòng)作330中，校準(zhǔn)泄漏閥168被關(guān)閉，并且在動(dòng)作332中，環(huán)境背景信號(hào)被測(cè)量并且存儲(chǔ)。示蹤氣體背景信號(hào)可以用于有效地補(bǔ)償正常操作期間的背景信號(hào)。在動(dòng)作334 中，可編程增益元件222的增益被改變?yōu)橛糜谶x定工作范圍的校準(zhǔn)增益值，并且在動(dòng)作336 中，校準(zhǔn)泄漏閥168被打開。在動(dòng)作338中，測(cè)量由校準(zhǔn)泄漏166產(chǎn)生的示蹤氣體信號(hào)。在動(dòng)作340中，所測(cè)量的示蹤氣體信號(hào)被用于校準(zhǔn)泄漏檢測(cè)器系統(tǒng)。具體地，校準(zhǔn)泄漏的測(cè)量值和校準(zhǔn)泄漏的已知值被用于通過確定“系統(tǒng)增益”(被定義為經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)囊阎孤┧俾食葬槍?duì)背景信號(hào)和電子偏差進(jìn)行了校正的測(cè)量泄漏速率)來校準(zhǔn)系統(tǒng)。在動(dòng)作348中測(cè)量操作模式下的測(cè)試件期間，將測(cè)試值乘以計(jì)算出的系統(tǒng)增益，以顯示實(shí)際泄漏速率。
在動(dòng)作342中，校準(zhǔn)泄漏閥168被關(guān)閉，并且在動(dòng)作344中，可編程增益元件222 的增益被改變?yōu)椴僮髟鲆嬷??？刂破骰谛孤┧俾使ぷ鞣秶挠脩暨x擇，來自動(dòng)設(shè)定缺省操作和校準(zhǔn)增益值。一旦用戶選定工作范圍，控制器調(diào)節(jié)在該范圍內(nèi)工作所需要的所有操作參數(shù)。當(dāng)用戶選定新的工作范圍，控制器針對(duì)新的工作范圍自動(dòng)再調(diào)節(jié)操作參數(shù)。
在動(dòng)作346中，改變到操作增益值表明校準(zhǔn)過程結(jié)束。在動(dòng)作348中，正確和校準(zhǔn)的測(cè)量泄漏速率被顯示?？刂破魇褂蒙鲜龅臋z測(cè)器信號(hào)和參數(shù)，計(jì)算按適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶旨?jí)的測(cè)量泄漏速率。
已經(jīng)針對(duì)一個(gè)工作范圍示出和描述了校準(zhǔn)過程。如圖4所示，可以利用渦輪泵轉(zhuǎn)速和校準(zhǔn)增益的相應(yīng)設(shè)置，對(duì)于各個(gè)被使用的工作范圍重復(fù)校準(zhǔn)過程。校準(zhǔn)過程可以被任何時(shí)候進(jìn)行，諸如在泄漏檢測(cè)器初始開機(jī)時(shí)，以選定的間隔或當(dāng)改變?yōu)樾碌墓ぷ鞣秶鷷r(shí)。
可以理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以使用不同的工作范圍、不同的校準(zhǔn)泄漏值和不同的泄漏檢測(cè)器參數(shù)。此外，可以采用外部校準(zhǔn)泄漏170來執(zhí)行校準(zhǔn)過程，其中，考慮到校準(zhǔn)泄漏170的不同位置，對(duì)渦輪泵轉(zhuǎn)速和校準(zhǔn)增益值進(jìn)行適當(dāng)改變。
在啟動(dòng)時(shí)，控制器220中的軟件自動(dòng)加載操作初始參數(shù)。用戶通過圖形顯示屏幕或來自主機(jī)的電子信號(hào)輸入，選擇工作范圍。軟件自動(dòng)設(shè)定上述的所有操作參數(shù)，以配置系統(tǒng)。可編程增益元件的增益被設(shè)為操作增益值，并且針對(duì)選定的泄漏測(cè)試操作選定渦輪泵轉(zhuǎn)速，如圖4所示。在圖4的表中，與渦輪泵轉(zhuǎn)速一起示出了用于一個(gè)實(shí)施方式的操作和校準(zhǔn)增益值。
當(dāng)校準(zhǔn)被選定時(shí)，根據(jù)選定的工作范圍，軟件自動(dòng)控制硬件和上述的參數(shù)，以執(zhí)行用戶請(qǐng)求的校準(zhǔn)。可編程增益元件的硬件增益被自動(dòng)地從操作增益值改變?yōu)樾?zhǔn)增益值。 增益改變?cè)趲缀撩雰?nèi)以高精度完成，使得E-07范圍泄漏可以在四個(gè)可能的泄漏速率工作范圍中的任意一個(gè)中被讀出。因?yàn)樾?zhǔn)泄漏與較之前級(jí)管線具有更低的壓縮比的渦輪泵的頂部附近的中間端口連接，所以校準(zhǔn)泄漏信號(hào)是正常操作信號(hào)的十倍大。這有效地將校準(zhǔn)泄漏信號(hào)在圖4的表中移位了一個(gè)數(shù)量級(jí)。校準(zhǔn)模式的十倍信號(hào)與通過軟件的增益的精確自動(dòng)控制的組合允許使用一個(gè)校準(zhǔn)泄漏來準(zhǔn)確校準(zhǔn)寬范圍的泄漏速率數(shù)量級(jí)。增益值的自動(dòng)改變?cè)试S將采用E-07校準(zhǔn)泄漏的校準(zhǔn)用于四個(gè)工作范圍內(nèi)的精確絕對(duì)校準(zhǔn)。因此，E-07 校準(zhǔn)泄漏提供了由用戶選定的若干工作范圍中的精確校準(zhǔn)。
例如，如果校準(zhǔn)被選定而系統(tǒng)工作在E-04到E-07的工作范圍內(nèi)，渦輪泵轉(zhuǎn)速被設(shè)定為60，000RPM，增益值被自動(dòng)地切換到等于1的校準(zhǔn)增益，新的偏差值被計(jì)算，并且檢測(cè)器被自動(dòng)調(diào)諧，并且適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)增益被計(jì)算以獲得期望范圍內(nèi)的精確的、絕對(duì)校準(zhǔn)。當(dāng)校準(zhǔn)完成時(shí)，軟件將增益值自動(dòng)地切換回等于2的操作增益值。從操作增益到校準(zhǔn)增益以及又回到操作增益的增益改變對(duì)于用戶來說透明地改變，并且在幾毫秒內(nèi)完成。
在如上描述了本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的若干方面之后，將會(huì)理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易想到多種替換、修改和改進(jìn)。這樣的替換、修改和改進(jìn)意在作為本公開的一部分，并且意在落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，前述的描述和附圖僅僅作為示例。
權(quán)利要求
1.一種示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，包括測(cè)試端口，其接收包含示蹤氣體的測(cè)試樣品；真空泵，其與所述測(cè)試端口聯(lián)接；校準(zhǔn)泄漏，其提供包含所述示蹤氣體的校準(zhǔn)樣品；質(zhì)量過濾器，其在操作模式下與所述測(cè)試端口聯(lián)接以接收所述測(cè)試樣品，并在校準(zhǔn)模式下通過校準(zhǔn)泄漏閥與所述校準(zhǔn)泄漏聯(lián)接以接收所述校準(zhǔn)樣品，所述質(zhì)量過濾器具有可控的示蹤氣體傳送，并且提供經(jīng)過濾的樣品；檢測(cè)器，其檢測(cè)所述經(jīng)過濾的樣品中的所述示蹤氣體，并且提供檢測(cè)器信號(hào)；可編程增益元件，其響應(yīng)于所述檢測(cè)器信號(hào)而提供泄漏速率的測(cè)量值；以及控制器，其被配置成響應(yīng)于模式控制信號(hào)而在所述校準(zhǔn)模式下操作所述泄漏檢測(cè)器， 其中，所述控制器被配置成利用所述校準(zhǔn)泄漏來在兩個(gè)或更多個(gè)工作范圍內(nèi)校準(zhǔn)所述泄漏檢測(cè)器。
2.如權(quán)利要求1所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，所述控制器被配置成通過對(duì)于所述工作范圍中的每個(gè)工作范圍設(shè)定所述質(zhì)量過濾器的傳送值以及所述可編程增益元件的增益值，并且通過在每個(gè)范圍中針對(duì)所述校準(zhǔn)泄漏來對(duì)測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)，從而利用所述校準(zhǔn)泄漏來在兩個(gè)或更多個(gè)工作范圍內(nèi)校準(zhǔn)所述泄漏檢測(cè)器。
3.如權(quán)利要求1所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，所述質(zhì)量過濾器包括具有可控速度的渦輪分子泵，所述渦輪分子泵具有與所述檢測(cè)器聯(lián)接的入口和與所述測(cè)試端口聯(lián)接的前級(jí)管線。
4.如權(quán)利要求3所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，還包括聯(lián)接在所述控制器與所述渦輪分子泵之間的泵控制器，所述泵控制器對(duì)所述渦輪分子泵的所述速度進(jìn)行反饋控制。
5.如權(quán)利要求3所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，所述校準(zhǔn)泄漏通過所述校準(zhǔn)泄漏閥而聯(lián)接到所述渦輪分子泵的中間端口。
6.如權(quán)利要求5所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，從所述校準(zhǔn)泄漏通過所述中間端口到所述檢測(cè)器的示蹤氣體的傳送大于從所述測(cè)試端口通過所述渦輪分子泵的前級(jí)管線到所述檢測(cè)器的示蹤氣體的傳送。
7.如權(quán)利要求1所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，所述可編程增益元件包括具有可編程增益的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
8.如權(quán)利要求3所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，所述檢測(cè)器包括質(zhì)譜儀。
9.如權(quán)利要求1所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，所述質(zhì)譜儀包括真空泵，所述真空泵的特征在于對(duì)于輕的氣體的壓縮率較低而對(duì)于重的氣體的壓縮率較高。
10.如權(quán)利要求1所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，所述質(zhì)量過濾器包括示蹤氣體可透過的部件。
11.如權(quán)利要求1所述的示蹤氣體泄漏檢測(cè)器，其中，通過對(duì)所述校準(zhǔn)泄漏閥、所述質(zhì)量過濾器的傳送和所述可編程增益元件的增益進(jìn)行的控制，校準(zhǔn)被響應(yīng)于所述模式控制信號(hào)而自動(dòng)地執(zhí)行。
12.一種用于對(duì)示蹤氣體泄漏檢測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，包括將校準(zhǔn)樣品從校準(zhǔn)泄漏通過校準(zhǔn)泄漏閥供應(yīng)到質(zhì)量過濾器，所述質(zhì)量過濾器響應(yīng)于所述校準(zhǔn)樣品提供經(jīng)過濾的樣品；檢測(cè)所述經(jīng)過濾的樣品并提供檢測(cè)器信號(hào)；利用可編程增益元件調(diào)節(jié)所述檢測(cè)器信號(hào)，以提供泄漏速率的測(cè)量值； 通過針對(duì)所述校準(zhǔn)泄漏對(duì)第一測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)，來確定對(duì)于第一工作范圍的第一校準(zhǔn)值；以及通過針對(duì)所述校準(zhǔn)泄漏對(duì)第二測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)，來確定對(duì)于第二工作范圍的第二校準(zhǔn)值。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括將所述質(zhì)量過濾器的傳送和所述可編程增益元件的增益設(shè)定為第一校準(zhǔn)值，這些第一校準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)于所述第一工作范圍，以及將所述質(zhì)量過濾器的傳送和所述可編程增益元件的增益設(shè)定為第二校準(zhǔn)值，這些第二校準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)于所述第二工作范圍。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述質(zhì)量過濾器包括渦輪分子泵，其中，將所述質(zhì)量過濾器的傳送設(shè)定為第一校準(zhǔn)值和第二校準(zhǔn)值的步驟包括將所述渦輪分子泵設(shè)定為第一泵速和第二泵速。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，將所述可編程增益元件的增益設(shè)定為第一校準(zhǔn)值和第二校準(zhǔn)值的步驟包括對(duì)具有可編程增益的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益進(jìn)行設(shè)定。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括針對(duì)所述校準(zhǔn)泄漏的環(huán)境溫度，來校正所述第一校準(zhǔn)值和所述第二校準(zhǔn)值。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括針對(duì)由電子噪聲導(dǎo)致的偏差，來校正所述第一校準(zhǔn)值和所述第二校準(zhǔn)值。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括針對(duì)背景示蹤氣體，來校正所述第一校準(zhǔn)值和所述第二校準(zhǔn)值。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括對(duì)所述檢測(cè)器進(jìn)行調(diào)諧以獲得最大的檢測(cè)器信號(hào)。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括響應(yīng)于模式控制信號(hào)，自動(dòng)執(zhí)行所述泄漏檢測(cè)器的校準(zhǔn)。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及用于示蹤氣體泄漏檢測(cè)的校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法。具有氣體泄漏檢測(cè)器的校準(zhǔn)系統(tǒng)提供示蹤氣體泄漏檢測(cè)，該檢測(cè)器具有測(cè)試端口，接收包含示蹤氣體的樣品并與真空泵聯(lián)接；校準(zhǔn)泄漏，提供包含示蹤氣體的校準(zhǔn)樣品；質(zhì)量過濾器，在操作模式下與測(cè)試端口聯(lián)接以接收測(cè)試樣品，并在校準(zhǔn)模式下通過校準(zhǔn)泄漏閥與校準(zhǔn)泄漏聯(lián)接以接收校準(zhǔn)樣品，質(zhì)量過濾器具有可控的示蹤氣體傳送并提供經(jīng)過濾的樣品；檢測(cè)器，檢測(cè)經(jīng)過濾的樣品中的示蹤氣體并提供檢測(cè)器信號(hào)；可編程增益元件，響應(yīng)于檢測(cè)器信號(hào)提供泄漏速率的測(cè)量值；控制器，響應(yīng)于模式控制信號(hào)在校準(zhǔn)模式下操作泄漏檢測(cè)器，該控制器被配置來利用校準(zhǔn)泄漏而在兩個(gè)或更多個(gè)工作范圍內(nèi)校準(zhǔn)泄漏檢測(cè)器。
文檔編號(hào)G01M3/20GK102187193SQ200980141730
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者凱文·弗林, 查爾斯·杜戴, 丹尼爾·J·格斯特 申請(qǐng)人:瓦里安有限公司