УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РАЗЛИЧЕНИЯ ПОВЕРОЧНОГО ГАЗА, ВЫХОДЯЩЕГО ИЗ ТЕЧИ, ОТ ВОЗМУЩАЮЩЕГО ГАЗА
DEVICE AND METHOD FOR DISTINGUISHING SPAN GAS COMING OUT OF LEAK FROM PERTURBING GAS

Изобретение относится к способу дифференциации поверочного газа, выходящего из исследуемого объекта, от возмущающего газа в окружении исследуемого объекта при шнифферном (газоанализаторном) поиске течи. Кроме того, изобретение относится к соответствующему течеискателю-шнифферу.
2
При шнифферном поиске течи объект, исследуемый на наличие течи, заполняется поверочным газом, например, гелием или CO, при этом к нему прикладывается давление выше, чем давление во внешней атмосфере, окружающей исследуемый объект. В случае утечки поверочный газ выходит затем из исследуемого объекта и может быть измерен во внешнем окружении исследуемого объекта. Для этого внешнюю среду, в частности, наружную поверхность исследуемого объекта, исследуют зондом-анализатором.
Зонд-анализатор имеет всасывающее отверстие для всасывания газового потока. Всасывающее отверстие соединено через газовую линию с датчиком и создающим газовый поток газовым насосом. Датчик предназначен для определения парциального давления поверочного газа в потоке всасываемого газа.
Парциальное давление поверочного газа является долей давления, обеспечиваемого поверочным газом, от полного давления смеси всасываемого и подаваемого газа. Типичным датчиком парциального давления поверочного газа является газоанализатор, как, например, масс-спектрометр (масс-спектроскоп) или измерительная ячейка для поглощения инфракрасного излучения.
2
2
2
При проверке окружения исследуемого объекта на наличие поверочного газа сложность заключается в том, что атмосфера, окружающая исследуемый объект, может содержать газовые составляющие, которые соответствуют поверочному газу или которые выдают сигнал измерения, который соответствует сигналу измерения поверочного газа. Эти фракции газа называются здесь возмущающим газом, так как они искажают результат измерения и препятствуют обнаружению течи. Например, подлежащий проверке объект может представлять собой теплообменник, который заполнен CO в качестве хладагента. CO служит поверочным газом. В окрестность исследуемого объекта CO может попадать как газ, выдыхаемый оператором, управляющим зондом-анализатором, или как выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, при выявлении поверочного газа способом инфракрасного поглощения или с помощью масс-спектроскопического обнаружения может иметься перекрестная чувствительность к близким или аналогичным газам из окружения исследуемого объекта.
Обычно поверочный газ, выходящий из течи, отличают от возмущающего газа в окружении исследуемого объекта с помощью зонда-анализатора с двумя отдельными всасывающими отверстиями. Одно всасывающее отверстие служит для всасывания поверочного газа, а другое всасывающее отверстие служит для контрольного измерения на некотором расстоянии от ранее упомянутого всасывающего отверстия. При этом состав газа в окружении исследуемого объекта исследуется на наличие поверочного газа. Такие течеискатели описаны, например, в EP 1342070 B1 и EP 22384422 B1. Из-за расстояния между этими двумя всасывающими отверстиями для поиска течи поверочного газа и для контрольного измерения, газ для контрольного измерения отбирается не в месте всасывания поверочного газа, что отрицательно сказывается на результате измерения.
Учитывая вышеизложенное, в изобретении стоит задача улучшить возможность различения поверочного газа, выходящего из течи в исследуемом объекте, и возмущающего газа в окружении исследуемого объекта при шнифферном поиске течи.
Из документов EP 7050738 B1 и DE 4408877 A1 для масс-спектрометрического детектора течи поверочного газа известно о модулировании расхода через входное отверстие, чтобы подавить влияние помех, вносимых вакуумным насосом масс-спектрометра. Описанный детектор течи поверочного газа рассчитан на работу в вакууме и не подходит в качестве течеискателя для работы при атмосферном давлении окружающей среды. Полное давление газа на газовом детекторе пропорционально отношению расхода подаваемого газа к скорости всасывания. Поэтому сделать вывод о том, обусловлено ли измеренное парциальное давление исследуемого газа возмущающим газом из окружения исследуемого объекта или же поверочным газом, вытекающим из течи в исследуемом объекте, невозможно. Напротив, можно только устранить возмущения, возникшие внутри измерительной системы, как, например, возмущения из-за колебаний скорости всасывания форвакуумного насоса.
Способ согласно изобретению определяется признаками по пункту 1 формулы изобретения. Устройство согласно изобретению определяется признаками по пункту 8.
Изобретение базируется на том, чтобы периодически многократно изменять расход потока газового потока, всасываемого через всасывающее отверстие в зонде-анализаторе, и при этом по возможности поддерживать постоянным полное давление газа, всасываемого зондом-анализатором, на датчике. При этом необходимо избегать отклонений полного давления более 10%. Кроме того, полное давление газа в окружении исследуемого объекта в области зонда-анализатора приблизительно равно атмосферному давлению, а полное давление на датчике предпочтительно устанавливать на значение по меньшей мере 80% от полного давления в окружении исследуемого объекта в области зонда-анализатора. В этом диапазоне связь между расходом газа и давлением газа является почти линейной. При незначительных колебаниях полного давления на датчике, не превышающих 10%, между парциальным давлением поверочного газа, измеренным датчиком, и концентрацией поверочного газа в потоке всасываемого газа имеется описываемая ниже приближенная зависимость:
Prüfgas
P=  ,
Prüfgas
total
Leck
Fluss
0
где P означает парциальное давление поверочного газа, -измеряемое датчиком, P - полное давление на датчике, Q - расход газа через течь (скорость утечки), Q - газа на датчике, и с - концентрация поверочного газа в атмосфере, окружающей исследуемый объект (возмущающий газ).
При пренебрежимо малом расходе газа утечки, то есть потоке поверочного газа, который возникает в результате утечки из исследуемого объекта, получается почти постоянное, изменяющееся пренебрежимо мало, парциальное давление поверочного газа. А именно, когда никакой поверочный газ не вытекает из неплотности, парциальное давление поверочного газа определяется из постоянной концентрации возмущающего газа, который соответствует поверочному газу или по меньшей мере близок к нему (например, при инфракрасном поглощении) и который присутствует в атмосфере, окружающей исследуемый объект. Однако, если поток поверочного газа, вытекающий из течи в исследуемом объекте, всасывается зондом-анализатором, периодически повторяющееся изменение расхода потока всасываемого газового потока приводит к наличию периодически изменяющейся составляющей парциального давления поверочного газа на датчике.
Чтобы определить, вытекает ли поверочный газ из течи в исследуемом объекте или происходит из атмосферы, окружающей исследуемый объект, проверяется всасываемый поток газа, чтобы определить, имеет ли парциальное давление поверочного газа переменную составляющую, средняя амплитуда которой лежит выше порогового значения, то есть не является пренебрежимо малой, и следует за изменением всасываемого газового потока, то есть, например, что частота переменной составляющей парциального давления поверочного газа соответствует частоте меняющегося расхода потока всасываемого газового потока. Если переменная составляющая парциального давления поверочного газа лежит выше порогового значения, это служит признаком течи в исследуемом объекте. Тогда устройство обработки данных указывает, что исследуемый объект имеет течь. Если наличие переменной составляющей парциального давления поверочного газа не установлено, или если переменная составляющая парциального давления поверочного газа лежит ниже измеренного порогового значения, это служит указанием на то, что исследуемый объект не имеет течи, но что поверочный газ происходит из атмосферы, окружающей исследуемый объект и, следовательно, является возмущающим газом. В таком случае устанавливается, что исследуемый объект не имеет течи.
Leck
Fluss
Leck
Fluss
0
Концентрация с поверочного газа в потоке всасываемого газа рассчитывается из скорости утечки Q и расхода газа Q, причем Q << Q, а также из концентрации поверочного газа с (возмущающий газ) в атмосфере, окружающей исследуемый объект, по формуле
0
0
0
Из этого соотношения ясно, что при пренебрежимо малой скорости утечки, то есть когда исследуемый объект не имеет течи или имеет лишь пренебрежимо малую течь, с равно с (с=с). Тогда концентрация поверочного газа в потоке всасываемого газа равна (обусловленной возмущающим газом) концентрации поверочного газа с в атмосфере, окружающей исследуемый объект.
Leck
Fluss
0
При имеющейся скорости течи Q периодически повторяющееся варьирование расхода потока всасываемого газового потока ведет к периодически повторяющемуся изменению расхода Q(t). В таком случае в концентрации поверочного газа имеется периодически меняющаяся переменная составляющая и постоянная составляющая, соответствующая концентрации поверочного газа с в атмосфере, окружающей исследуемый объект.
prüf
total
0
total
Датчик, определяющий парциальное давление поверочного газа, измеряет с учетом связи p=C⋅pпарциальное давление поверочного газа, которое содержит постоянную составляющую C⋅p и меняющуюся с изменением расхода всасываемого газового потока переменную составляющую  .
total
Из этого очевидно, что как можно более неизменное полное давление p(t) потока всасываемого газа на датчике имеет особое значение для изобретения, поскольку только в случае отсутствия течи или при пренебрежимо малой течи в исследуемом объекте будет иметься почти постоянная концентрация поверочного газа, то есть концентрация поверочного газа, колебания которой не превышают заданного порогового значения.
Пороговое значение устанавливают в результате калибровки, проводимой отдельно. При этом минимальная наблюдаемая течь должна вызывать изменение парциального давления, которое больше, чем неизбежное колебание парциального давления из-за концентрации поверочного газа в окружающей атмосфере.
total
Полное давление p всасываемого газового потока на датчике предпочтительно должно составлять от 90% до 110% от полного давления в атмосфере, окружающей исследуемый объект, в области зонда-анализатора. Это может быть атмосферное давление, то есть исследуемый объект находится в атмосфере, и давление внутри него выше атмосферного давления, тогда как датчик течеискателя поддерживается при полном давлении в интервале от 90% до 110% атмосферного давления, которое, кроме того, должно незначительно колебаться, то есть менее чем на 10%.
Сигнал измерения расхода потока для потока всасываемого газа можно модулировать посредством частоты и фазы модуляции. Демодуляцию модулированного сигнала расхода потока можно осуществить по принципу синхронного усилителя с определенной опорной частотой и фазой для модулирования сигнала расхода потока. Опорная частота и опорная фаза означают, что частота и фаза демодуляции являются кратными частоте и фазе модуляции.
Можно провести дополнительное сравнительное измерение, при котором расход потока всасываемого газового потока не изменяют периодически, а удерживают постоянным, чтобы можно было определить парциальное давление поверочного газа в атмосфере, окружающей исследуемый объект. Предпочтительно, частота модуляции расхода потока для всасываемого газового потока лежит в интервале 1-20 Гц, предпочтительно в интервале 3-10 Гц.
В течеискателе-шниффере согласно изобретению линия газа, которая может представлять собой газопровод, связывает всасывающее отверстие зонда-анализатора, датчик и газовый насос. Датчик предназначен для определения парциального давления поверочного газа во всасываемом газовом потоке. Газовый насос создает давление газа, необходимое для всасывания газа. Устройство управления предназначено для многократного изменения расхода потока всасываемого газа и предотвращения колебаний полного давления газа на датчике более чем на 10%. Устройство обработки данных предназначено для измерения и определения, имеет ли парциальное давление поверочного газа, содержащегося во всасываемом газовом потоке, переменную составляющую, средняя амплитуда которой превышает вышеописанное пороговое значение, и которая следует за изменениями потока всасываемого газа. Это может иметь место, например, когда частота переменной составляющей парциального давления поверочного газа соответствует частоте изменяемого газового потока, а фаза находится в фиксированном отношении к фазе модуляции газового потока.
Устройство управления предпочтительно предназначено для установки полного давления всасываемого газового потока на датчике на уровне примерно 80%, предпочтительно в диапазоне 90-110% от полного давления газа в атмосфере, окружающей исследуемый объект. В этом диапазоне связь между расходом газа и давлением газа почти линейная. Кроме того, устройство управления должно быть способно определять поток газа утечки относительно калибровки с известной эталонной неплотностью.
Колебания полного давления газа на датчике можно подавить или уменьшить, например, установив датчик ниже по потоку от газового насоса. Альтернативно или дополнительно газовая линия может содержать дроссель между всасывающим отверстием и датчиком. Для уменьшения колебаний расхода газа устройство управления может регулировать производительность или частоту вращения газового насоса и/или изменять пропускную способность или пропускное сопротивление дросселя. Дроссель может представлять собой капилляр, например, длиной в интервале от примерно 2 см до примерно 1 м и диаметром максимум примерно 5 мм. Однако допустимы также и более длинные капилляры.
Далее примеры осуществления изобретения подробнее поясняются на фигурах. Показано:
- фиг. 1: схематическое изображение первого примера осуществления,
- фиг. 2: схематическое изображение второго примера осуществления,
- фиг. 3: схематическое изображение третьего примера осуществления,
- фиг. 4: зависимость расхода всасываемого газа от давления на датчике для разных диаметров пути течения потока,
- фиг. 5: фрагмент с фиг. 4,
- фиг. 6: четвертый пример осуществления,
- фиг. 7: пятый пример осуществления и
- фиг. 8: шестой пример осуществления.
Течеискатель-шниффер 10 в трех показанных на фигурах 1-3 примерах осуществления обычным образом соединен через газовую линию 20 с зондом-анализатором 12, имеющим всасывающее отверстие 14. В газовой линии 20 установлен газовый насос 16, который из атмосферы 23, окружающей исследуемый объект 21, создает газ для всасывания.
Далее, газовая линия 20 соединяет в форме обычного газопровода насос 16 с находящимся непосредственно за насосом 16 датчиком 18. Датчик 18 предназначен для измерения парциального давления исследуемого газа в потоке всасываемого газа. Датчик 18 может представлять собой, например, инфракрасный кюветный абсорбциометр. Важно, чтобы датчик 18 был способен определять парциальное давление поверочного газа при почти атмосферном давлении или в диапазоне примерно 90-110% от атмосферного давления. Парциальное давление поверочного газа соответствует доле поверочного газа в газовой смеси всасываемого газового потока. Таким образом, парциальное давление поверочного газа нельзя измерить датчиком давления. Датчик давления измеряет только полное давление газовой смеси.
После того, как всасываемый газовый поток прошел через датчик 18, газовая линия 20 выводит газовый поток в атмосферу через выпускное отверстие 36.
Газовая линия 20 может содержать дроссель 26. Дроссель 26 может, как показано на фиг. 1, находиться выше по потоку от газового насоса 16. Устройство 22 управления для управления газовым насосом 16 электрически соединено с ним. Например, устройство 22 управления может предназначаться для регулирования частоты вращения газового насоса 16. Фиг. 1 показывает, что устройство 22 управления может быть также соединено с дросселем 26, чтобы изменять пропускную способность дросселя 26. Кроме того, устройство управления может быть также электрически соединено с датчиком 18.
Устройство 24 обработки данных может быть электрически соединено с датчиком 18, чтобы обрабатывать и оценивать измерительный сигнал. Устройство 24 обработки данных предназначено для определения того, имеется ли в парциальном давлении содержащегося в газовом потоке поверочного газа переменная составляющая. В частности, устройство 24 обработки данных может проверять, лежит ли средняя амплитуда переменной составляющей парциального давления поверочного газа выше порогового значения. Кроме того, устройство 24 обработки данных может устанавливать, следует ли переменная составляющая парциального давления поверочного газа изменению потока всасываемого газа. Это имеет место, когда частота переменной составляющей парциального давления поверочного газа соответствует частоте меняющегося потока газа или является кратной этой частоте.
Для этого устройство 24 обработки данных можно соединить с устройством 22 управления. Устройство 22 управления меняет, например, расход потока всасываемого газового потока, меняя частоту вращения насоса. Это можно осуществить в форме модуляции, например, по принципу синхронного усилителя. Устройство 24 обработки данных может синхронизировать частоту варьирующегося парциального давления поверочного газа с частотой модуляции всасываемого газового потока.
Устройство 24 обработки данных предназначено также для определения, в рамках калибровки, потока утечки из известной неплотности с известной скоростью утечки.
Кроме того, устройство 22 управления в первом примере осуществления способно устанавливать полное давление всасываемого газового потока в области датчика 18 в пределах по меньшей мере примерно 90-110% от полного давления газа в атмосфере 23, окружающей исследуемый объект 21. Как еще будет говориться в связи с фиг. 5, связь между расходом газа и давлением газа в этом диапазоне давлений является почти линейной. Установку полного давления всасываемого газового потока на датчике 18 можно осуществить через регулирование числа оборотов газового насоса 16 и/или через регулирование пропускной способности дросселя 26.
Эти примеры осуществления относятся к датчикам, установленным непосредственно за газовым насосом 16. В такой конфигурации колебания полного давления газа на датчике 18 снижаются. Однако альтернативно можно также разместить датчик 18 выше по потоку от газового насоса 16, то есть между зондом-анализатором 12 и газовым насосом 16.
Пример осуществления с фиг. 2 отличается от примера осуществления с фиг. 1 тем, что выше по потоку от газового насоса 16 предусмотрен вентиль 28, управляемый устройством 22 управления, чтобы изменять пропускное сечение газовой линии 20. Предпочтительно, управляемый вентиль 28 находится между дросселем 26 и газовым насосом 16. Изменяя поперечное сечение газовой линии 20 с помощью управляемого вентиля 28, можно изменять пропускную способность газовой линии 20, в частности, варьировать. Тем самым во втором примере осуществления расход потока всасываемого газового потока многократно варьируется.
Третий пример осуществления отличается от второго примера осуществления тем, что байпас 30 обходит газовую линию 20 между зондом-анализатором 12 и газовым насосом 16 и, в частности, дроссель 26. Байпас 30 снабжен дросселем 34, пропускная способность которого намного выше, чем пропускная способность дросселя 26. Байпасная линия 30 содержит управляемый вентиль 32, который для его управления электрически соединен с устройством 22 управления. При увеличении пропускной способности вентиля 32 расход газа в перекрытой газовой линии 20 снижается. При уменьшении пропускной способности вентиля 32 расход газа в перекрытой газовой линии 20 повышается. Таким образом, с помощью устройства 22 управления и управляемого вентиля 32 байпасной линии 30 можно варьировать расход потока всасываемого газового потока.
3
2
2
Дроссель 26 может представлять собой капилляр, длина которого лежит в интервале от примерно 2 см до примерно 10 см, а диаметр составляет максимум примерно 5 мм. На фигурах 4 и 5 по вертикальной оси (ординате) отложен результирующий расход газа в стандартных кубических сантиметрах в минуту (Ссм/мин), а по горизонтальной оси (абсциссе) давление в миллибарах (мбар) для разных диаметров дросселя 26, выполненного в виде капилляра. Отложенное по горизонтальной оси давление P представляет собой давление P внутри газовой линии 20 ниже по потоку от газового насоса 16 в области датчика 18. Давление в окружении 23 исследуемого объекта 21 составляет 1013 мбар (атмосферное давление). Под атмосферным давлением в данном случае понимается давление, которое может лежать в интервале от примерно 900 мбар до примерно 1100 мбар.
На фиг. 4 показан профиль установившегося расхода газа для разных диаметров d капилляра дросселя 26 в диапазоне давлений от 0 мбар до 1000 мбар. Длина капилляра составляет 5 см. На фиг. 5 показаны кривые с фиг. 4 в диапазоне давлений от 950 до 1015 мбар. Из фиг. 5 можно видеть, что связь между расходом и давлением газа является почти линейной, когда давление больше или равно 950 мбар. Поэтому, согласно изобретению выгодно устанавливать полное давление всасываемого газового потока на датчике 18 на значение из диапазона между примерно 90% и 110% от полного давления в окружении исследуемого объекта 21. Особенно важно то, что изменение полного давления несущественно, а вызывает большое изменение потока.
3
3
2
В результате незначительного изменения пониженного давления на датчике, например, с 985 мбар до 1000 мбар при длине капилляра 5 см и диаметре 3 мм расход уменьшается в два раза с 100 Ссм/мин до 50 Ссм/мин. Этот аспект отличается от применений в области вакуума, как описано, например, в DE 4408877A1 (EP 7050738 B1). Если давление P в месте датчика 18 очень низкое, как, например, в случае вакуумных течеискателей, то изменение давления, например, от 0,1 мбар до 50 мбар пренебрежимо мало влияет на расход газа.
4
3
3
0
Типичная течь в исследуемом объекте 21 может вызывать утечку газового потока порядка 1⋅10 мбар⋅л/сек. Расход или интенсивность течения всасываемого газового потока модулируется в диапазоне от 120 Ссм/мин до 12 Ссм/мин на частоте модуляции 6 Гц. При этом полное давление колеблется от 1000 мбар до 950 мбар с частотой модуляции. Концентрация с в окружающей среде может составлять 400 ppm. Колебание полного давления в 50 мбар является сравнительно высоким. Тем не менее, колебания парциального давления, обусловленные колебанием полного давления, малы и, таким образом, ими можно пренебречь по сравнению с переменной составляющей парциального давления, которая возникает в результате модуляции потока. На практике колебания полного давления лежат заметно ниже 50 мбар.
Пример осуществления с фиг. 6 отличается от примера осуществления с фиг. 1 тем, что газовый насос 16 находится не между дросселем 26 и датчиком 18 в газовой линии 20, а в газовой линии 20 между зондом-анализатором 12 и дросселем 26, то есть выше по потоку от дросселя 26.
Пример осуществления с фиг. 7 отличается от примера осуществления с фиг. 2 тем, что газовый насос 16 находится не между вентилем 28 и датчиком 18, а, как и в примере осуществления с фиг. 6, выше по потоку от дросселя 26.
Это же относится к примеру осуществления с фиг. 8, где газовый насос 16 находится не между параллельным соединением из дросселя 26 и вентиля 32 и датчиком 18, как на фиг. 3, а в газовой линии 20 выше по потоку от параллельного соединения из дросселей 26 и 34.