專利名稱：相對高試驗壓力下大泄漏處痕量氣體泄漏檢測系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及密封物件中的泄漏檢測，具體來說，涉及相對高試驗端口壓力 下大泄漏處的痕量氣體泄漏檢測系統(tǒng)和方法。痕量氣體通常是氦氣，但不局限 于氦氣。
背景技術：
氦氣質(zhì)譜儀泄漏檢測是一種眾所周知的泄漏檢測技術。氦氣用作為痕量氣 體，它可通過密封試驗件上的最小泄漏處。然后將氦氣抽取到泄漏檢測儀內(nèi)進 行測量。氦氣量對應于泄漏率。儀器的重要部件是質(zhì)譜儀，它檢測和測量氦氣。 使輸入氣體離子化，用質(zhì)譜儀分析質(zhì)量，以便分離氦氣分量，然后測量該氦氣 分量。在一種方法中，試驗件的內(nèi)部聯(lián)接到泄漏檢測儀的試驗端口。氦氣噴射 到試驗件外部，通過泄漏處抽入到內(nèi)部并用泄漏檢測儀進行測量。
質(zhì)譜儀的要求之一是，接納氦氣和其它氣體所通過的入口應保持相對低的 壓力，通常低于2X1()4托。在傳統(tǒng)的泄漏檢測儀中，使用真空泵將質(zhì)譜儀的 入口保持在要求壓力下。然而，由于試驗端口在泄漏試驗過程中必須保持在相 對低的壓力，所以，初抽泵循環(huán)時間相當長。此外，在泄漏的或大容積零件的 試驗中，其導致高的試驗端口壓力，可能難于或不可能達到要求的壓力水平。
在1972年9月12日發(fā)表的授予Briggs的美國專利No.3，690,151所揭示的 逆流泄漏檢測儀中，質(zhì)譜儀管連接到擴散泵的入口，氦痕量氣體通過擴散泵的 前級管道或排氣端口引入。擴散泵對于較重氣體顯現(xiàn)出高的壓力比，但對如氦 氣那樣較輕氣體則顯現(xiàn)出低的壓力比。因此，氦氣以可接受的速率通過擴散泵 反向擴散到質(zhì)譜儀并進行測量。取樣中的較重氣體很大程度上被擴散泵阻擋， 并被阻止到達質(zhì)譜儀。由于擴散泵中的反向流的方法，泄漏檢測儀試驗端口可 以在遠高得多的運行壓力下運行，通常為100毫托。
100毫托的試驗端口壓力可滿足于許多泄漏試驗應用中。然而，在某些應用中，要求在非常大或泄漏的部分進行泄漏試驗，而所述試驗端口壓力在這些 部分不可能達到。在另一現(xiàn)有技術的結(jié)構(gòu)中，流量限制器定位在試驗端口和高 真空泵的前級管道之間。使用單獨的初抽泵來抽吸試驗端口和高真空泵的前級 管道。該方法允許較高的試驗端口壓力，但比較復雜和昂貴，因為需要兩個初 抽泵。
1998年4月5日發(fā)表的授予Fruzzetti的美國專利No.4,735,084揭示了另 一現(xiàn)有技術的方法。痕量氣體反方向通過一級或兩級機械真空泵，由此，達到 高的試驗端口壓力。
1989年7月4日發(fā)表的授予Landfors的美國專利No.4，845,360揭示了具 有高和低靈敏度運行模式的逆流泄漏檢測儀。擴散泵包括傳統(tǒng)的前級管道和設 置有噴射級的第二前級管道。泄漏檢測儀具有高和低靈敏度運行模式。
1984年9月25日發(fā)表的授予Mennenga的美國專利No.4，472,962揭示了 一種利用渦輪分子真空泵的泄漏檢測儀，該泵具有連接到氣體傳感器的入口 、 連接到前級泵的出口、以及連接到試驗端口的中間入口。
1996年8月6日發(fā)表的授予Grenci等人的美國專利No.5,542,828揭示了 一種真空抽吸質(zhì)譜儀的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用渦旋真空泵結(jié)合高真空泵。
用于相對高壓下大容積和/或泄漏部分的泄漏檢測的現(xiàn)有技術的裝置沒有 一個達到完全滿意。因此，需要有新的和改進的系統(tǒng)和方法來對相當高試驗壓 力下大泄漏處進行痕量氣體泄漏檢測。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面， 一種痕量氣體泄漏檢測儀包括試驗端口，該試驗 端口用于接納含有痕量氣體的取樣，該試驗端口連接到試驗管道；質(zhì)譜儀，該 質(zhì)譜儀用于檢測痕量氣體，該質(zhì)譜儀具有入口；高真空泵，該高真空泵具有聯(lián) 接到質(zhì)譜儀的入口的入口端口，該高真空泵具有排出端口；以及前級泵，該前 級泵具有主入口、至少一個中間入口、以及排出口，該主入口聯(lián)接到高真空泵
的排出端口，該中間入口可控制地連接到試驗管道。前級泵選自以下渦旋真 空泵和螺桿真空泵。
根據(jù)本發(fā)明另一方面， 一種痕量氣體泄漏檢測方法包括提供質(zhì)譜儀和高真空泵，該質(zhì)譜儀用于檢測痕量氣體，該質(zhì)譜儀具有入口，該高真空泵具有聯(lián) 接到質(zhì)譜儀的入口的入口端口，該高真空泵具有排出端口；提供前級泵，該前 級泵具有主入口、至少一個中間入口、以及排出口，該前級泵選自以下渦旋
真空泵和螺桿真空泵；將前級泵的主入口聯(lián)接到高真空泵的排出端口；以及將 含有痕量氣體的取樣供應到中間入口，其中，痕量氣體沿反向移動通過前級泵 和高真空泵，并被質(zhì)譜儀檢測。


為了更好地理解本發(fā)明，可參照本說明書援引的以供參考的附圖，附圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的痕量氣體泄漏檢測儀的簡化方框圖2是渦旋真空泵的簡化剖視圖3是螺桿真空泵的簡化剖視圖；以及
圖4是示出圖1的痕量氣體泄漏檢測儀的操作的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的痕量氣體泄漏檢測儀。具有試驗容積12 的試驗件10附連到入口凸緣14。入口凸緣14形成泄漏檢測儀的試驗端口并通 過試驗閥16連接到試驗管道20。試驗管道20通過初抽閥22聯(lián)接到前級泵30 的主入口24。前級泵排出口 32可排出到大氣或排出到排出導管內(nèi)。泄漏檢測 儀還包括高真空泵40和質(zhì)譜儀42。質(zhì)譜儀42具有入口 44，該入口 44聯(lián)接到 高真空泵40的入口 。高真空泵40的前級管道46或排出端口聯(lián)接到前級泵30 的主入口24，并通過初抽閥22聯(lián)接到試驗管道20。在操作過程中，電子控制 器50控制質(zhì)譜儀42、高真空泵40、前級泵30和泄漏檢測儀的所有閥門。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，前級泵30是渦旋真空泵或螺桿真空泵，其具有 至少一個中間入口 60。這種類型泵各具有從主入口延伸到排出口的工作容積。
沿工作容積的壓力從主入口到排出口或多或少連續(xù)地變化。中間入口 60在主 入口 24和排出口 32之間的中間部位處連接到前級泵30的工作容積。其結(jié)果， 中間入口 60以主入口 24壓力和排出口 32壓力之間的中間壓力操作。因此， 一般來說，中間入口 60以比主入口 24高的壓力操作。中間入口60通過中間閥62聯(lián)接到試驗管道20。
前級泵30可具有一個中間入口 60，或可在主入口 24和排出口 32之間的 工作容積中具有通向不同部位的一個以上中間入口。在圖1實施例中，前級泵 30可選擇地包括第二中間入口 66，其通過第二中間閥68聯(lián)接到試驗管道20。
高真空泵40可以是渦輪分子泵、所謂的混合渦輪泵、分子拖曳泵或擴散 泵。在混合渦輪泵中，渦輪分子泵的一個或多個軸向抽吸級用高速旋轉(zhuǎn)的圓盤 替代，圓盤起作分子拖曳級的功能。1993年8月24日發(fā)表的授予Casaro等人 的美國專利No.5，238，362揭示了該種結(jié)構(gòu)。混合渦輪泵可包括附加的抽吸級， 諸如再生級，就如1994年10月25日發(fā)表的授予Hablanian的美國專利 No.5,538，373所描述。在每個情形中，真空泵的特征在于，對于諸如氦氣那樣 的輕氣體，反向流量相當高，而對于重氣體，反向流量相當?shù)停@樣，氦氣從 前級管道46到質(zhì)譜儀42反向通過真空泵，而其它氣體基本上被阻塞。反向流 量是指從泵的前級管道到其入口的反向流量。
適用于圖1泄漏檢測儀中的前級泵30的渦旋型真空泵或渦旋泵的簡化剖 視圖顯示在圖2中。從連接到泵主入口 24的泵腔室或諸如泄漏檢測儀的其它 設備中排空氣體。該泵還包括用來排出抽吸的氣體的排出口 32。渦旋泵包括一 組互相嚙合的螺旋形渦旋葉片。圖2的渦旋泵包括靜止的渦旋葉片100和繞軌 道運行的渦旋葉片104，渦旋葉片IOO從靜止的渦旋板102延伸出來，而渦旋 葉片104從繞軌道運行的渦旋板(未示出)延伸出來。渦旋葉片100和104軸 向地朝向彼此延伸，并互相嚙合在一起以形成葉片間窩穴110。渦旋葉片104 相對于渦旋葉片100的繞軌道運動產(chǎn)生渦旋型抽吸作用，使氣體進入渦旋葉片 之間的葉片間窩穴110內(nèi)。葉片間窩穴IIO從主入口 24朝向排出口 32移動， 由此，抽吸葉片間窩穴內(nèi)的氣體。葉片間窩穴IIO構(gòu)成渦旋真空泵的工作容積。 渦旋真空泵的結(jié)構(gòu)和操作通常為本技術領域內(nèi)的技術人員所熟知。
如圖2進一步所示，渦旋真空泵設置有中間入口 60。中間入口60可實施 為通過靜止渦旋板102的孔以進入到葉片間窩穴110。根據(jù)泄漏試驗期間試驗 管道20中預期的壓力，中間入口 60可位于主入口 24和排出口 32之間的任何 位置。此外，可供選擇的第二中間入口 66可按需要沿主入口 24和排出口 32 之間的螺旋形路徑定位。因為渦旋泵的主入口 24和排出口 32之間的抽吸路徑的連續(xù)特性，每個中間入口可位于某些位置范圍內(nèi)，根據(jù)特定應用中預期試驗 管道壓力來選擇位置。
適用于圖1泄漏檢測儀中的前級泵30的螺桿真空泵的簡化剖視圖顯示在
圖3中。封閉的泵殼130設置有主入口 24和排出口 32。第一螺桿132和第二 螺桿134通過合適的軸承(未示出)安裝在泵殼130內(nèi)，以便分別圍繞平行軸 線136和138轉(zhuǎn)動。螺桿132包括螺紋142，而螺桿134包括螺紋144。螺桿 132和134以并排關系定位在泵殼130內(nèi)，以使螺紋142和144彼此嚙合。螺 紋142和144與泵殼130內(nèi)壁稍許間距開以使轉(zhuǎn)動不受阻礙，同時，將螺紋142、 144和泵殼130之間泄漏減到最小。典型的間距是在千分之幾英寸的量級上。 互相嚙合的螺紋142和144和泵殼130形成多個閉合的內(nèi)腔150、 152、 154等。
同步齒輪160通過軸162連接到螺桿132，而同步齒輪164通過軸166連 接到螺桿134。同步齒輪160和164互相嚙合而使螺桿132和134分別圍繞軸 線136和138同步地轉(zhuǎn)動。軸166連接到電動機170。當電動機通電時，螺桿 132和134同步地轉(zhuǎn)動，以使螺紋142和144保持互相嚙合。電動機60、同步 齒輪160和164以及連接軸構(gòu)成真空泵的驅(qū)動機構(gòu)。
如圖3所示，螺桿真空泵設置有中間入口 60。中間入口60可實施為通過 泵殼130的孔，以便進入內(nèi)腔150、 152、 154等中的一個。根據(jù)泄漏試驗過程 中試驗管道20內(nèi)預期的壓力，中間入口 60可位于主入口 24和排出口 32之間 的任何位置。此外，可供選擇的第二中間入口 66可按需要沿主入口 24和排出 口 32之間的路徑定位。因為螺桿泵的主入口 24和排出口 32之間的抽吸路徑 的連續(xù)特性，每個中間入口可位于某些位置范圍內(nèi)，根據(jù)特定應用中預期試驗 管道壓力來選擇位置。
在操作中，電動機170致使螺桿132和134分別圍繞軸線136和138轉(zhuǎn)動， 以使閉合的內(nèi)腔150、 152、 154等從主入口 24朝向排出口 32移動。氣體通過 主入口24進入真空泵，并在閉合內(nèi)腔中輸送到排出口 32，由此進行氣體的抽 吸。
參照圖4的流程圖來描述圖1所示的泄漏檢測儀的操作。在步驟200中， 將試驗件10 (圖1)安裝在泄漏檢測儀的試驗端口上。具體來說，將試驗件10 安裝在入口凸緣14上。在步驟202中，打開試驗閥16和初抽閥22，而用前級泵30對試驗件10進行真空抽吸， 一般地從大氣壓開始。在步驟204中，關閉 初抽閥22，打開中間閥62，因此將試驗取樣從試驗件10引入到前級泵30的 中間入口 60內(nèi)。試驗取樣中的氦氣從前級泵30的中間入口 60到主入口 24沿 反向擴散，然后，沿反向通過高真空泵40進入質(zhì)譜儀42。該模式允許試驗管 道20在前級泵30的中間入口 60的壓力下操作。該壓力高于高真空泵40的前 級管道46處的壓力。在步驟206中，根據(jù)通過中間入口 60接受的氦氣量，用 質(zhì)譜儀42確定試驗件10是否有大泄漏。如果檢測到有大泄漏，則試驗件10 被劃分為未通過試驗，并終止該試驗。
如上所述，前級泵30可包括一個以上中間入口。在一實施例中，選擇最 佳地匹配于試驗管道20的壓力的中間入口用于大泄漏試驗。在另一實施例中， 連續(xù)地使用中間入口來進行大泄漏試驗和一個或多個中泄漏試驗。在每個實施 例中，聯(lián)接到選定中間入口的中間閥打開以進行泄漏試驗。
如果在步驟206中未檢測到大泄漏，則泄漏檢測儀構(gòu)造成用于小泄漏檢測。 在步驟208中，關閉中間閥62，打開初抽閥22，以用于小泄漏檢測。在此模 式中，試驗管道20中的氦氣從前級管道46到質(zhì)譜儀42反向地通過高真空泵 40。該模式允許試驗管道20在高真空泵40的前級管道壓力下操作。在步驟210 中，確定試驗件10是否有小泄漏。小泄漏的檢測基于從試驗管道20通過高真 空泵40到質(zhì)譜儀42所通過的氦氣量。如果在步驟210中檢測到有小泄漏，則 試驗件被劃分為有泄漏且未通過試驗。如果在步驟210中未檢測到有泄漏，則 試驗件通過泄漏試驗。
因此描述了本發(fā)明的至少一個實施例的若干方面，將會意識到，熟悉本領 域的技術人員易于作出各種改變、改型和改進。這些改變、改型和改進將是本 說明書的一部分，且將落入本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍內(nèi)。因此，前面的描述和 附圖僅僅是示例性的。
權利要求
1. 一種痕量氣體泄漏檢測儀，包括試驗端口，所述試驗端口用于接納含有痕量氣體的取樣，所述試驗端口連接到試驗管道；質(zhì)譜儀，所述質(zhì)譜儀用于檢測所述痕量氣體，所述質(zhì)譜儀具有入口；高真空泵，所述高真空泵具有聯(lián)接到所述質(zhì)譜儀的所述入口的入口端口，所述高真空泵具有排出端口；以及前級泵，所述前級泵具有主入口、至少一個中間入口、以及排出口，所述主入口聯(lián)接到所述高真空泵的所述排出端口，所述中間入口可控制地連接到所述試驗管道，所述前級泵是這樣類型的泵其允許所述中間入口的位置在所述主入口和所述排出口之間的位置的范圍內(nèi)。
2. 如權利要求1所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，所述前級泵選 自以下渦旋真空泵和螺桿真空泵。
3. 如權利要求1或2所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，還包括中 間閥和控制器，所述中間閥聯(lián)接在所述試驗管道和所述前級泵的所述中間入口 之間，所述控制器根據(jù)所選擇的操作模式來控制所述中間閥的操作。
4. 如權利要求2所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，所述前級泵包 括兩個或多個中間入口，所述痕量氣體泄漏檢測儀還包括中間閥和控制器，所 述中間閥聯(lián)接在所述中間入口中的每個中間入口和所述試驗管道之間，所述控 制器根據(jù)所選擇的操作模式來控制所述中間閥的操作。
5. 如權利要求1或2所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，所述質(zhì)譜 儀構(gòu)造成檢測作為所述痕量氣體的氦氣。
6. 如權利要求1或2所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，所述高真 空泵包括渦輪分子泵。
7. 如權利要求1或2所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，所述高真 空泵包括混合泵，所述混合泵包括一個或多個軸向流動級以及一個或多個分子 拖曳級。
8. 如權利要求1或2所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，所述高真 空泵包括分子拖曳泵。
9. 如權利要求1或2所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，所述高真空泵包括擴散泵。
10. 如權利要求1或2所述的痕量氣體泄漏檢測儀，其特征在于，還包括中間閥，所述中間閥聯(lián)接在所述試驗管道和所述前級泵的所述中間入口之間；初抽閥，所述初抽閥聯(lián)接在所述試驗管道和所述前級泵的所述主入口之 間；以及控制器，所述控制器在大泄漏試驗過程中打開所述中間閥，并在小泄漏試 驗過程中打開所述初抽閥。
11. 一種痕量氣體泄漏檢測方法，包括提供質(zhì)譜儀和高真空泵，所述質(zhì)譜儀用于檢測所述痕量氣體，所述質(zhì)譜儀 具有入口，所述高真空泵具有聯(lián)接到所述質(zhì)譜儀的所述入口的入口端口，所述高真空泵具有排出端口；提供前級泵，所述前級泵具有主入口、至少一個中間入口、以及排出口，所述前級泵選自以下渦旋真空泵和螺桿真空泵；將所述前級泵的所述主入口聯(lián)接到所述高真空泵的所述排出端口；以及 通過將含有所述痕量氣體的取樣供應到所述前級泵的所述中間入口來進行大泄漏試驗，其中，所述痕量氣體沿反向移動通過所述前級泵和所述高真空泵，并被所述質(zhì)譜儀檢測。
12. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括提供前級泵，所 述前級泵具有兩個或多個中間入口，并根據(jù)所選擇的操作模式將所述中間入口 中的一個中間入口連接到所述試驗管道。
13. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括通過將含有所述 痕量氣體的取樣供應到所述前級泵的所述主入口來進行小泄漏試驗。
14. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，通過試驗端口和試驗管 道接納含有所述痕量氣體的取樣，所述方法還包括在將含有所述痕量氣體的取樣供應到所述前級泵的所述中間入口之前，用所述前級泵對所述試驗管道進行 真空抽吸。
全文摘要
提供相對高試驗壓力下大泄漏處的痕量氣體泄漏檢測儀和痕量氣體泄漏檢測方法。痕量氣體泄漏檢測儀包括試驗端口，該試驗端口用于接納含有痕量氣體的取樣，該試驗端口連接到試驗管道；質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀用于檢測痕量氣體；高真空泵，該高真空泵具有聯(lián)接到質(zhì)譜儀的入口的入口端口；以及前級泵，該前級泵具有主入口、至少一個中間入口、以及排出口。前級泵的主入口聯(lián)接到高真空泵的排出端口。中間入口可控制地連接到試驗管道。前級泵選自以下渦旋真空泵和螺桿真空泵。
文檔編號G01M3/20GK101473208SQ200780023392
公開日2009年7月1日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權日2006年8月31日
發(fā)明者C·帕金斯, P·帕勒斯特恩 申請人:凡利安股份有限公司