DE10122733A1

DE10122733A1 - Testleckvorrichtung

Info

Publication number: DE10122733A1
Application number: DE2001122733
Authority: DE
Inventors: Ludolf Gerdau; Rudi Widt
Original assignee: Inficon GmbH Deutschland
Current assignee: Inficon GmbH Deutschland
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2002-11-14
Also published as: WO2002090917A2; WO2002090917A3

Abstract

Eine Testleckvorrichtung weist einen Testgasspeicher (12) und einen Testgasauslass (16) auf, der von einer Membran (30) aus Silizium-Oxid verschlossen ist. Ferner ist eine Heizvorrichtung zum Beheizen der Silizium-Oxid-Scheibe (32) vorgesehen. Die Durchlässigkeit für kleinmolekulare Gase ist bei Silizium-Oxid im Wesentlichen von seiner Temperatur abhängig, so dass sich durch Beheizen der Silizium-Oxid-Membran die Leckrate der Testleckvorrichtung verändern und steuern lässt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Testleckvorrichtung mit einem Testgasspeicher und einem Testgasauslass.

Testleckvorrichtungen erzeugen einen in der Größe möglichst ge nau bekannten Strom eines Testgases, dessen Größe Leckrate ge nannt wird. Testleckvorrichtungen werden zur Kontrolle und zum Abgleich von Lecksuchgeräten eingesetzt. Als Lecksuchgeräte zum Nachweis des Testgases dienen beispielsweise Massenspektro meter. Dem Lecksuchgerät wird von der Testleckvorrichtung ein in der Höhe bekannter Testleckstrom zugeführt, wobei der von dem Lecksuchgerät ausgegebene Leckraten-Messwert mit der be kannten Leckrate des Testleckgeräts verglichen und abgeglichen wird. Eine bekannte Testleckvorrichtung ist die Diffusions- Testleckvorrichtung, bei der das Testgas aufgrund eines Druck gefälles durch eine gasdurchlässige Membran mit einer kon stanten Leckrate hindurchströmt. Eine Veränderung der Leckrate kann nur über die Veränderung der Gasdruckdifferenz erfolgen, was langsam und aufwendig ist. Aus DE-A-199 06 941 ist eine Testleckvorrichtung bekannt, die sich zur definierten Test gasabgabe einer Kapillare bedient, durch die das Testgas mit konstanter Leckrate hindurchströmt. Die Leckrate ist weitgehend festgelegt, wobei stets die Gefahr besteht, dass die empfind liche Kapillare verstopft und dann keinen oder nur einen stark verringerten Testgasstrom passieren lässt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Steuerbarkeit des Test gasstromes bei einer Testleckvorrichtung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Testleckvorrichtung weist einen Testgas speicher und einen Testgasauslass auf. Der Testgasauslass wird von einer Membran aus Silizium-Oxid verschlossen, die durch eine Heizvorrichtung beheizbar ist. Silizium-Oxid ist für kleinmolekulare Gase durchlässig, jedoch ist die Gasdurchläs sigkeit abhängig von der Temperatur des Silizium-Oxides. Wäh rend das Silizium-Oxid bei Zimmertemperatur nahezu undurchläs sig für ein kleinmolekulares Testgas ist, ist es bei einer Tem peratur von ca. 700°C um mehrere Zehnerdekaden durchlässiger für ein derartiges Gas. Über einen Temperaturbereich von ca. 700 K lässt sich ein Testgasstrom einer Leckrate von 10^-11 bis 10^-4 mbar.l.s^-1 einstellen. Bei konstanter Temperatur der Sili zium-Oxid-Membran ist der Testgasstrom ebenfalls sehr konstant. Durch Verwendung einer Silizium-Oxid-Membran als Verschluss des Testgasauslasses lässt sich sowohl ein Testgas-Nullstrom rea lisieren, als auch sehr kleine konstante Testgas-Ströme realisieren. Je nach thermischer Situation lässt sich durch ein schnelles Aufheizen und/oder Abkühlen der Silizium-Oxid-Membran auch ein mit 1 bis 2 Hz modulierter Testgasstrom realisieren. Als. Testgas wird vorzugsweise reines Helium verwendet, können aber auch andere kleinmolekulare Gase eingesetzt werden.

Die Flussrate des Testgases durch die Silizium-Oxid-Membran hängt bei konstantem Testgasdruck in dem Testgasspeicher aus schließlich von der Temperatur der Silizium-Oxid-Membran ab. Damit ist die Testgasflussrate bzw. die Leckrate über die Tem peratur der Silizium-Oxid-Membran exakt über einen weiten Be reich steuerbar und reproduzierbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Membran eine Silizium-Oxid-Scheibe, die aus Stabilitätsgründen eine Grund stärke von 1 bis 2 mm aufweist und die mehrere Fenster mit einer Materialstärke von weniger als 20 µm aufweist. Die Gas durchlässigkeit von Silizium-Oxid bei einer Materialstärke von 1 bis 2 mm ist gering, so dass die dünnwandigen Fenster vorge sehen werden müssen, durch die das Testgas hindurchtreten kann. Da eine Silizium-Oxid-Scheibe von 20 µm Stärke jedoch keine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen würde, wird die tragende Struktur von den Bereichen mit einer Materialstärke von 1 bis 2 mm gebildet. Auf diese Weise lässt sich durch Vor sehen einer Vielzahl von Fenstern eine sehr große gasdurchläs sige Fläche in der mechanisch dennoch stabilen Silizium-Oxid- Scheibe bilden. Die Scheibenfenster sind vorzugsweise annähernd rund und haben einen Durchmesser von weniger als 2,0 mm.

Vorzugsweise ist die Heizvorrichtung eine elektrische Heiz schlange auf der Silizium-Membran bzw. -Scheibe. Die Heiz schlange kann beispielsweise ein mäanderartig auf der Silizium- Oxid-Scheibe aufgebrachter Heizdraht sein. Mit der elektrischen Heizschlange lässt sich die Silizium-Membran bzw. Scheibe sehr schnell aufheizen, so dass sich mit einer derartigen Heizvor richtung hohe Temperaturen und schnelle Änderungen der Testgas- Durchflussrate und ggf. eine Modulationen des Testgasstromes realisieren lassen.

Alternativ oder ergänzend kann die Heizvorrichtung auch als ein auf die Silizium-Oxid-Membran bzw. -Scheibe gerichteter Infra rotstrahler oder eine auf die Silizium-Oxid-Scheibe gerichtete Elektronenquelle sein. Die Ausbildung der Heizvorrichtung als Infrarotstrahler oder als Elektronenquelle erlaubt eine gleich mäßige und großflächige Erwärmung der Silizium-Oxid-Scheibe bzw. -Membran.

Vorzugsweise ist auf der Silizium-Oxid-Membran bzw. -Scheibe ein Temperatursensor angeordnet, der mit einer Steuervorrich tung und/oder einem Anzeigegerät zum Anzeigen der gemessenen Temperatur verbunden ist. Durch die Steuervorrichtung kann die Temperatur der Silizium-Oxid-Membran bzw. -Scheibe genau ange steuert und eingehalten werden, wodurch eine exakt reproduzier bare und konstante Testgas-Leckrate realisiert werden kann.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Testleckvorrichtung mit einem Testgasspeicher und einem Testgasauslass im Längsschnitt, und

Fig. 2 die Silizium-Oxid-Membran der Testleckvorrichtung der Fig. 1 im Längsschnitt.

In Fig. 1 ist eine Testleckvorrichtung 10 dargestellt, die der Erzeugung eines definierten Gasstromes zur Kontrolle und zum Abgleich von hochempfindlichen Lecksuchgeräten, beispielsweise von Sektorfeld-Massenspektrometern dient.

Die Testleckvorrichtung 10 besteht im Wesentlichen aus einem Testgasspeicher 12, einem Sockel 14 mit einem Testgasauslass 16 und einer Steuervorrichtung 18.

Der Testgasspeicher 12 wird von einem gasdichten topfförmigen Speicherbehälter 20 gebildet, der mit seiner nach unten wei senden Öffnung gasdicht in das obere Ende des Sockels 14 einge setzt ist. An der Deckenwand des Speicherbehälters 20 ist ein Manometer 22 zur Anzeige des Testgasdruckes angeordnet. In dem Speicherbehälter 20 sind als Testgas 100 bis 200 Kubikzenti meter Helium mit einem Überdruck von 2 bis 7 bar gespeichert. Der Gasüberdruck kann generell jedoch zwischen 0,3 und 100 bar betragen. Zum Befüllen des Testgasspeichers 12 ist an dem Sockel 14 ein verschließbares Füllventil 24 vorgesehen.

Der Metall-Sockelkörper des Sockels 14 15 weist einen axial vertikal verlaufenden Auslasskanal 17 auf, der den Testgasaus lass 16 bildet. Am speicherbehälterseitigen Ende des Auslass kanales 17 ist ein ringförmiger stufenartiger Absatz 26 in den Sockelkörper 15 eingelassen, in dem auf einem ringförmigen Isolationskörper 28 eine Membran 30 aus Silizium-Oxid lagert.

Die Membran 30 ist eine kreisrunde Scheibe 32, die aus Sili zium-Oxid besteht und genauer in Fig. 2 dargestellt ist. Die Silizium-Oxid-Scheibe hat einen Durchmesser von ungefähr 10 mm und eine Materialstärke von 0,5 mm. Die Silizium-Oxid-Scheibe 32 weist 200 kleine Fenster 34 mit einem mittleren Durchmesser von 0,4 mm auf, in deren Bereich das Silizium-Oxid eine Stärke von nur 5 bis 6 µm hat. Der Gasdurchtritt des Helium-Testgases erfolgt praktisch ausschließlich im Bereich der Fenster 34.

Auf der glatten und ebenen auslassseitigen Unterseite der Sili zium-Oxid-Scheibe 32 ist als Heizvorrichtung eine mäanderartig verlaufende elektrische Heizschlange 36 angeordnet, die über nach außen geführte Versorgungsleitungen 38 von einer Steuer vorrichtung 18 aus mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Heizschlange 36 ist so ausgelegt, dass die gesamte Fläche der Silizium-Oxid-Scheibe 32 stets ungefähr gleichmäßig beheizt wird. Die Heizleistung der Heizvorrichtung kann in einem Be reich zwischen 3 bis 30 Watt gesteuert werden. Die Temperatur der Silizium-Oxid-Scheibe 32 kann bis zu 700°C betragen. Bei guter Wärmeleitung des Isolationskörpers 28 können Modulations raten von 1 bis 2 Hz realisiert werden.

An der Unterseite der Silizium-Oxid-Scheibe 32 ist ferner ein Temperatursensor 40 angeordnet, der ständig die Eigentemperatur der Silizium-Oxid-Scheibe 32 misst. Auch der Temperatursensor 40 ist über elektrische Leitungen 42 mit der Steuervorrichtung 18 verbunden.

Im axial mittleren Bereich des Auslasskanales 17 ist als mecha nischer Schutz eine Filterscheibe 43 mit einem Sicherungsring 44 angeordnet, die das Eindringen von Partikeln in das empfind liche nachfolgende Analysegerät vermeidet, beispielsweise von Silizium-Oxid-Körpern beim Bruch der Silizium-Oxid-Scheibe 32.

Am auslassseitigen Ende des Sockels 14 ist ein Befestigungs flansch 46 vorgesehen, der der einfachen Montierbarkeit der Testleckvorrichtung 10 an ein nachfolgendes Element dient.

Der Isolationskörper 28 besteht aus einem gut wärmeisolierenden hitze- und gasbeständigem Material und isoliert die Silizium- Oxid-Membran 30 thermisch gegenüber dem Sockelkörper 15. Hier durch wird die Wärmeabfuhr von der Silizium-Oxid-Membran in den Sockel 14 auf ein Minimum reduziert, so dass auch die zum Hal ten einer bestimmten Temperatur der Silizium-Oxid-Membran er forderliche Heizenergie so gering wie möglich gehalten wird. Zur Realisierung hoher Modulationsfrequenzen kann der Isola tionskörper 28 jedoch auch aus gut wärmeleitendem Material be stehen.

Alternativ oder ergänzend zu dem Manometer 22 kann innerhalb des Testgasspeichers 12 bzw. an der Innenseite des Sockelkörpers 15 ein Drucksensor vorgesehen sein, der ebenfalls mit der Steuervorrichtung 18 verbunden sein kann. Mit einem wei teren der Steuervorrichtung 18 verbundenen Drucksensor im Be reich des Auslasskanales 17 kann die Steuervorrichtung auch bei sich verändernden Druckverhältnissen einen Testgasstrom kon stanter Leckrate durch entsprechende Steuerung der Heizvor richtung realisieren.

Mit der beschriebenen Testleckvorrichtung lassen sich Leckraten von 10^-11 bis 10^-4 mbar.l.s^-1 realisieren.

Die beschriebene Testleckvorrichtung 10 stellt zum einen eine über einen weiten Leckratenbereich genau einstellbare und steuerbare Testgasquelle dar und ist gleichzeitig sehr zuver lässig, da Verstopfungen des Auslasskanales 17 oder der Membran 30 praktisch ausgeschlossen sind.

Claims

1. Testleckvorrichtung mit einem Testgasspeicher (12) und einem Testgasauslass (16), dadurch gekennzeichnet,
dass der Testgasauslass (16) von einer Membran (30) aus Silizium-Oxid verschlossen ist, und
dass eine Heizvorrichtung zum Beheizen der Silizium-Oxid- Membran (30) vorgesehen ist.

2. Testleckvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Membran (30) eine Silizium-Oxid-Scheibe (32) ist, die mehrere Fenster (34) mit einer Materialstärke von weniger als 20 µm aufweist.

3. Testleckvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Heizvorrichtung eine elektrische Heiz schlange (36) auf der Silizium-Oxid-Membran (30) ist.

4. Testleckvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Heizvorrichtung ein auf die Silizium- Oxid-Membran (30) gerichteter Infrarotstrahler ist.

5. Testleckvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Heizvorrichtung eine auf die Silizium- Oxid-Membran (30) gerichtete Elektronenquelle ist.

6. Testleckvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Silizium-Oxid-Membran (30) ein Temperatursensor (40) angeordnet ist, der mit einer die gemessene Temperatur verarbeitenden Steuervorrichtung (18) gekoppelt ist.

7. Testleckvorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Silizium-Oxid-Scheibe (32) geringer als 2,0 mm ist.

8. Testleckvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Testgas in dem Testgasspeicher (12) Helium ist.