相对高试验压力下大泄漏处痕量气体泄漏检测系统和方法

专利名称：相对高试验压力下大泄漏处痕量气体泄漏检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及密封物件中的泄漏检测，具体来说，涉及相对高试验端口压力 下大泄漏处的痕量气体泄漏检测系统和方法。痕量气体通常是氦气，但不局限 于氦气。
背景技术：
氦气质谱仪泄漏检测是一种众所周知的泄漏检测技术。氦气用作为痕量气 体，它可通过密封试验件上的最小泄漏处。然后将氦气抽取到泄漏检测仪内进 行测量。氦气量对应于泄漏率。仪器的重要部件是质谱仪，它检测和测量氦气。 使输入气体离子化，用质谱仪分析质量，以便分离氦气分量，然后测量该氦气 分量。在一种方法中，试验件的内部联接到泄漏检测仪的试验端口。氦气喷射 到试验件外部，通过泄漏处抽入到内部并用泄漏检测仪进行测量。
质谱仪的要求之一是，接纳氦气和其它气体所通过的入口应保持相对低的 压力，通常低于2X1()4托。在传统的泄漏检测仪中，使用真空泵将质谱仪的 入口保持在要求压力下。然而，由于试验端口在泄漏试验过程中必须保持在相 对低的压力，所以，初抽泵循环时间相当长。此外，在泄漏的或大容积零件的 试验中，其导致高的试验端口压力，可能难于或不可能达到要求的压力水平。
在1972年9月12日发表的授予Briggs的美国专利No.3，690,151所揭示的 逆流泄漏检测仪中，质谱仪管连接到扩散泵的入口，氦痕量气体通过扩散泵的 前级管道或排气端口引入。扩散泵对于较重气体显现出高的压力比，但对如氦 气那样较轻气体则显现出低的压力比。因此，氦气以可接受的速率通过扩散泵 反向扩散到质谱仪并进行测量。取样中的较重气体很大程度上被扩散泵阻挡， 并被阻止到达质谱仪。由于扩散泵中的反向流的方法，泄漏检测仪试验端口可 以在远高得多的运行压力下运行，通常为100毫托。
100毫托的试验端口压力可满足于许多泄漏试验应用中。然而，在某些应用中，要求在非常大或泄漏的部分进行泄漏试验，而所述试验端口压力在这些 部分不可能达到。在另一现有技术的结构中，流量限制器定位在试验端口和高 真空泵的前级管道之间。使用单独的初抽泵来抽吸试验端口和高真空泵的前级 管道。该方法允许较高的试验端口压力，但比较复杂和昂贵，因为需要两个初 抽泵。
1998年4月5日发表的授予Fruzzetti的美国专利No.4,735,084揭示了另 一现有技术的方法。痕量气体反方向通过一级或两级机械真空泵，由此，达到 高的试验端口压力。
1989年7月4日发表的授予Landfors的美国专利No.4，845,360揭示了具 有高和低灵敏度运行模式的逆流泄漏检测仪。扩散泵包括传统的前级管道和设 置有喷射级的第二前级管道。泄漏检测仪具有高和低灵敏度运行模式。
1984年9月25日发表的授予Mennenga的美国专利No.4，472,962揭示了 一种利用涡轮分子真空泵的泄漏检测仪，该泵具有连接到气体传感器的入口 、 连接到前级泵的出口、以及连接到试验端口的中间入口。
1996年8月6日发表的授予Grenci等人的美国专利No.5,542,828揭示了 一种真空抽吸质谱仪的系统，该系统使用涡旋真空泵结合高真空泵。
用于相对高压下大容积和/或泄漏部分的泄漏检测的现有技术的装置没有 一个达到完全满意。因此，需要有新的和改进的系统和方法来对相当高试验压 力下大泄漏处进行痕量气体泄漏检测。

发明内容
根据本发明第一方面， 一种痕量气体泄漏检测仪包括试验端口，该试验 端口用于接纳含有痕量气体的取样，该试验端口连接到试验管道；质谱仪，该 质谱仪用于检测痕量气体，该质谱仪具有入口；高真空泵，该高真空泵具有联 接到质谱仪的入口的入口端口，该高真空泵具有排出端口；以及前级泵，该前 级泵具有主入口、至少一个中间入口、以及排出口，该主入口联接到高真空泵
的排出端口，该中间入口可控制地连接到试验管道。前级泵选自以下涡旋真 空泵和螺杆真空泵。
根据本发明另一方面， 一种痕量气体泄漏检测方法包括提供质谱仪和高真空泵，该质谱仪用于检测痕量气体，该质谱仪具有入口，该高真空泵具有联 接到质谱仪的入口的入口端口，该高真空泵具有排出端口；提供前级泵，该前 级泵具有主入口、至少一个中间入口、以及排出口，该前级泵选自以下涡旋
真空泵和螺杆真空泵；将前级泵的主入口联接到高真空泵的排出端口；以及将 含有痕量气体的取样供应到中间入口，其中，痕量气体沿反向移动通过前级泵 和高真空泵，并被质谱仪检测。


为了更好地理解本发明，可参照本说明书援引的以供参考的附图，附图中:
图1是根据本发明一实施例的痕量气体泄漏检测仪的简化方框图2是涡旋真空泵的简化剖视图3是螺杆真空泵的简化剖视图；以及
图4是示出图1的痕量气体泄漏检测仪的操作的流程图。
具体实施例方式
图1示出根据本发明一实施例的痕量气体泄漏检测仪。具有试验容积12 的试验件10附连到入口凸缘14。入口凸缘14形成泄漏检测仪的试验端口并通 过试验阀16连接到试验管道20。试验管道20通过初抽阀22联接到前级泵30 的主入口24。前级泵排出口 32可排出到大气或排出到排出导管内。泄漏检测 仪还包括高真空泵40和质谱仪42。质谱仪42具有入口 44，该入口 44联接到 高真空泵40的入口 。高真空泵40的前级管道46或排出端口联接到前级泵30 的主入口24，并通过初抽阀22联接到试验管道20。在操作过程中，电子控制 器50控制质谱仪42、高真空泵40、前级泵30和泄漏检测仪的所有阀门。
根据本发明的一实施例，前级泵30是涡旋真空泵或螺杆真空泵，其具有 至少一个中间入口 60。这种类型泵各具有从主入口延伸到排出口的工作容积。
沿工作容积的压力从主入口到排出口或多或少连续地变化。中间入口 60在主 入口 24和排出口 32之间的中间部位处连接到前级泵30的工作容积。其结果， 中间入口 60以主入口 24压力和排出口 32压力之间的中间压力操作。因此， 一般来说，中间入口 60以比主入口 24高的压力操作。中间入口60通过中间阀62联接到试验管道20。
前级泵30可具有一个中间入口 60，或可在主入口 24和排出口 32之间的 工作容积中具有通向不同部位的一个以上中间入口。在图1实施例中，前级泵 30可选择地包括第二中间入口 66，其通过第二中间阀68联接到试验管道20。
高真空泵40可以是涡轮分子泵、所谓的混合涡轮泵、分子拖曳泵或扩散 泵。在混合涡轮泵中，涡轮分子泵的一个或多个轴向抽吸级用高速旋转的圆盘 替代，圆盘起作分子拖曳级的功能。1993年8月24日发表的授予Casaro等人 的美国专利No.5，238，362揭示了该种结构。混合涡轮泵可包括附加的抽吸级， 诸如再生级，就如1994年10月25日发表的授予Hablanian的美国专利 No.5,538，373所描述。在每个情形中，真空泵的特征在于，对于诸如氦气那样 的轻气体，反向流量相当高，而对于重气体，反向流量相当低，这样，氦气从 前级管道46到质谱仪42反向通过真空泵，而其它气体基本上被阻塞。反向流 量是指从泵的前级管道到其入口的反向流量。
适用于图1泄漏检测仪中的前级泵30的涡旋型真空泵或涡旋泵的简化剖 视图显示在图2中。从连接到泵主入口 24的泵腔室或诸如泄漏检测仪的其它 设备中排空气体。该泵还包括用来排出抽吸的气体的排出口 32。涡旋泵包括一 组互相啮合的螺旋形涡旋叶片。图2的涡旋泵包括静止的涡旋叶片100和绕轨 道运行的涡旋叶片104，涡旋叶片IOO从静止的涡旋板102延伸出来，而涡旋 叶片104从绕轨道运行的涡旋板(未示出)延伸出来。涡旋叶片100和104轴 向地朝向彼此延伸，并互相啮合在一起以形成叶片间窝穴110。涡旋叶片104 相对于涡旋叶片100的绕轨道运动产生涡旋型抽吸作用，使气体进入涡旋叶片 之间的叶片间窝穴110内。叶片间窝穴IIO从主入口 24朝向排出口 32移动， 由此，抽吸叶片间窝穴内的气体。叶片间窝穴IIO构成涡旋真空泵的工作容积。 涡旋真空泵的结构和操作通常为本技术领域内的技术人员所熟知。
如图2进一步所示，涡旋真空泵设置有中间入口 60。中间入口60可实施 为通过静止涡旋板102的孔以进入到叶片间窝穴110。根据泄漏试验期间试验 管道20中预期的压力，中间入口 60可位于主入口 24和排出口 32之间的任何 位置。此外，可供选择的第二中间入口 66可按需要沿主入口 24和排出口 32 之间的螺旋形路径定位。因为涡旋泵的主入口 24和排出口 32之间的抽吸路径的连续特性，每个中间入口可位于某些位置范围内，根据特定应用中预期试验 管道压力来选择位置。
适用于图1泄漏检测仪中的前级泵30的螺杆真空泵的简化剖视图显示在
图3中。封闭的泵壳130设置有主入口 24和排出口 32。第一螺杆132和第二 螺杆134通过合适的轴承(未示出)安装在泵壳130内，以便分别围绕平行轴 线136和138转动。螺杆132包括螺纹142，而螺杆134包括螺纹144。螺杆 132和134以并排关系定位在泵壳130内，以使螺纹142和144彼此啮合。螺 纹142和144与泵壳130内壁稍许间距开以使转动不受阻碍，同时，将螺纹142、 144和泵壳130之间泄漏减到最小。典型的间距是在千分之几英寸的量级上。 互相啮合的螺纹142和144和泵壳130形成多个闭合的内腔150、 152、 154等。
同步齿轮160通过轴162连接到螺杆132，而同步齿轮164通过轴166连 接到螺杆134。同步齿轮160和164互相啮合而使螺杆132和134分别围绕轴 线136和138同步地转动。轴166连接到电动机170。当电动机通电时，螺杆 132和134同步地转动，以使螺纹142和144保持互相啮合。电动机60、同步 齿轮160和164以及连接轴构成真空泵的驱动机构。
如图3所示，螺杆真空泵设置有中间入口 60。中间入口60可实施为通过 泵壳130的孔，以便进入内腔150、 152、 154等中的一个。根据泄漏试验过程 中试验管道20内预期的压力，中间入口 60可位于主入口 24和排出口 32之间 的任何位置。此外，可供选择的第二中间入口 66可按需要沿主入口 24和排出 口 32之间的路径定位。因为螺杆泵的主入口 24和排出口 32之间的抽吸路径 的连续特性，每个中间入口可位于某些位置范围内，根据特定应用中预期试验 管道压力来选择位置。
在操作中，电动机170致使螺杆132和134分别围绕轴线136和138转动， 以使闭合的内腔150、 152、 154等从主入口 24朝向排出口 32移动。气体通过 主入口24进入真空泵，并在闭合内腔中输送到排出口 32，由此进行气体的抽 吸。
参照图4的流程图来描述图1所示的泄漏检测仪的操作。在步骤200中， 将试验件10 (图1)安装在泄漏检测仪的试验端口上。具体来说，将试验件10 安装在入口凸缘14上。在步骤202中，打开试验阀16和初抽阀22，而用前级泵30对试验件10进行真空抽吸， 一般地从大气压开始。在步骤204中，关闭 初抽阀22，打开中间阀62，因此将试验取样从试验件10引入到前级泵30的 中间入口 60内。试验取样中的氦气从前级泵30的中间入口 60到主入口 24沿 反向扩散，然后，沿反向通过高真空泵40进入质谱仪42。该模式允许试验管 道20在前级泵30的中间入口 60的压力下操作。该压力高于高真空泵40的前 级管道46处的压力。在步骤206中，根据通过中间入口 60接受的氦气量，用 质谱仪42确定试验件10是否有大泄漏。如果检测到有大泄漏，则试验件10 被划分为未通过试验，并终止该试验。
如上所述，前级泵30可包括一个以上中间入口。在一实施例中，选择最 佳地匹配于试验管道20的压力的中间入口用于大泄漏试验。在另一实施例中， 连续地使用中间入口来进行大泄漏试验和一个或多个中泄漏试验。在每个实施 例中，联接到选定中间入口的中间阀打开以进行泄漏试验。
如果在步骤206中未检测到大泄漏，则泄漏检测仪构造成用于小泄漏检测。 在步骤208中，关闭中间阀62，打开初抽阀22，以用于小泄漏检测。在此模 式中，试验管道20中的氦气从前级管道46到质谱仪42反向地通过高真空泵 40。该模式允许试验管道20在高真空泵40的前级管道压力下操作。在步骤210 中，确定试验件10是否有小泄漏。小泄漏的检测基于从试验管道20通过高真 空泵40到质谱仪42所通过的氦气量。如果在步骤210中检测到有小泄漏，则 试验件被划分为有泄漏且未通过试验。如果在步骤210中未检测到有泄漏，则 试验件通过泄漏试验。
因此描述了本发明的至少一个实施例的若干方面，将会意识到，熟悉本领 域的技术人员易于作出各种改变、改型和改进。这些改变、改型和改进将是本 说明书的一部分，且将落入本发明的精神实质和范围内。因此，前面的描述和 附图仅仅是示例性的。
权利要求
1. 一种痕量气体泄漏检测仪，包括试验端口，所述试验端口用于接纳含有痕量气体的取样，所述试验端口连接到试验管道；质谱仪，所述质谱仪用于检测所述痕量气体，所述质谱仪具有入口；高真空泵，所述高真空泵具有联接到所述质谱仪的所述入口的入口端口，所述高真空泵具有排出端口；以及前级泵，所述前级泵具有主入口、至少一个中间入口、以及排出口，所述主入口联接到所述高真空泵的所述排出端口，所述中间入口可控制地连接到所述试验管道，所述前级泵是这样类型的泵其允许所述中间入口的位置在所述主入口和所述排出口之间的位置的范围内。
2. 如权利要求1所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，所述前级泵选 自以下涡旋真空泵和螺杆真空泵。
3. 如权利要求1或2所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，还包括中 间阀和控制器，所述中间阀联接在所述试验管道和所述前级泵的所述中间入口 之间，所述控制器根据所选择的操作模式来控制所述中间阀的操作。
4. 如权利要求2所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，所述前级泵包 括两个或多个中间入口，所述痕量气体泄漏检测仪还包括中间阀和控制器，所 述中间阀联接在所述中间入口中的每个中间入口和所述试验管道之间，所述控 制器根据所选择的操作模式来控制所述中间阀的操作。
5. 如权利要求1或2所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，所述质谱 仪构造成检测作为所述痕量气体的氦气。
6. 如权利要求1或2所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，所述高真 空泵包括涡轮分子泵。
7. 如权利要求1或2所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，所述高真 空泵包括混合泵，所述混合泵包括一个或多个轴向流动级以及一个或多个分子 拖曳级。
8. 如权利要求1或2所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，所述高真 空泵包括分子拖曳泵。
9. 如权利要求1或2所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，所述高真空泵包括扩散泵。
10. 如权利要求1或2所述的痕量气体泄漏检测仪，其特征在于，还包括中间阀，所述中间阀联接在所述试验管道和所述前级泵的所述中间入口之间；初抽阀，所述初抽阀联接在所述试验管道和所述前级泵的所述主入口之 间；以及控制器，所述控制器在大泄漏试验过程中打开所述中间阀，并在小泄漏试 验过程中打开所述初抽阀。
11. 一种痕量气体泄漏检测方法，包括提供质谱仪和高真空泵，所述质谱仪用于检测所述痕量气体，所述质谱仪 具有入口，所述高真空泵具有联接到所述质谱仪的所述入口的入口端口，所述高真空泵具有排出端口；提供前级泵，所述前级泵具有主入口、至少一个中间入口、以及排出口，所述前级泵选自以下涡旋真空泵和螺杆真空泵；将所述前级泵的所述主入口联接到所述高真空泵的所述排出端口；以及 通过将含有所述痕量气体的取样供应到所述前级泵的所述中间入口来进行大泄漏试验，其中，所述痕量气体沿反向移动通过所述前级泵和所述高真空泵，并被所述质谱仪检测。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括提供前级泵，所 述前级泵具有两个或多个中间入口，并根据所选择的操作模式将所述中间入口 中的一个中间入口连接到所述试验管道。
13. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括通过将含有所述 痕量气体的取样供应到所述前级泵的所述主入口来进行小泄漏试验。
14. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，通过试验端口和试验管 道接纳含有所述痕量气体的取样，所述方法还包括在将含有所述痕量气体的取样供应到所述前级泵的所述中间入口之前，用所述前级泵对所述试验管道进行 真空抽吸。
全文摘要
提供相对高试验压力下大泄漏处的痕量气体泄漏检测仪和痕量气体泄漏检测方法。痕量气体泄漏检测仪包括试验端口，该试验端口用于接纳含有痕量气体的取样，该试验端口连接到试验管道；质谱仪，该质谱仪用于检测痕量气体；高真空泵，该高真空泵具有联接到质谱仪的入口的入口端口；以及前级泵，该前级泵具有主入口、至少一个中间入口、以及排出口。前级泵的主入口联接到高真空泵的排出端口。中间入口可控制地连接到试验管道。前级泵选自以下涡旋真空泵和螺杆真空泵。
文档编号G01M3/20GK101473208SQ200780023392
公开日2009年7月1日 申请日期2007年8月28日 优先权日2006年8月31日
发明者C·帕金斯, P·帕勒斯特恩 申请人:凡利安股份有限公司