Master's Thesis

Prediction of Mass Spectrometer Signal Trends in Measurement of Marking Gas Quantity

Final Thesis 2.18 MB Appendix 1.7 MB

Author of thesis: Ing. Lukáš Vaculík

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: Ing. Radek Poliščuk, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Monika Dosoudilová, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis presents a comprehensive approach to leak testing using a mass spectrometer and a tracer gas (helium). After an introduction to the fundamental concepts and an overview of leak‐detection methods (with and without tracer gas), the vacuum system is described in detail, along with the operating principle and calibration of the mass spectrometer. The next chapter covers the design and assembly of the measurement station, followed by the measurement procedure and signal analysis during pumping, including data acquisition and processing of pump‐down curves. The core of the work is devoted to regression analysis: linear regression (least squares method with a sliding window and recursive least squares with exponential forgetting) and nonlinear regression via transformations (logarithmic, exponential, and power). The outcome is the design and implementation of a modular library, RegressionModel, for predicting spectrometer signals, which was validated on real‐world data. Practical tests demonstrated the efficacy of both approaches in forecasting leaks, yielding significant time savings in the testing cycle.

Keywords:

leak detection, mass spectrometer, integral helium test, signal analysis, PLC library, Siemens TIA portal, signal regression, signal prediction

Date of defence

10.06.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student představil komisi výsledky své DP. Po přečtení posudků následovaly otázky oponenta a členů komise. Lze kvantifikovat spotřeba hélia, kterou jste snížil. Má vliv teplota (okolního prostředí) přímo v testovacím procesu. Pásy spolehlivosti (vůči šumu). Knihovna Siemens (pochvala). Proč proběhl výběr právě vašich použitých metod (mocninná fce). Počet vzorků vznikl jakým způsobem.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Automation and Computer Science

Study programme

Applied Computer Science and Control (N-AIŘ-K)

Composition of Committee

doc. Ing. Oldřich Trenz, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jakub Kůdela, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Miloš Hammer, CSc. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Škrabánek, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Kurfürst, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. David Fojtík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Milan Hofreiter, CSc. (člen)
prof. Ing. Petr Doležel, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Radek Poliščuk, Ph.D.

Diplomový projekt pana Lukáše Vaculíka řeší optimalizaci řízení procesu testování těsnosti a snížení spotřeby značkovacího plynu u vakuových systémů, produkovaných ve společnosti LABTECH s.r.o. (u které je diplomant také zaměstnán).

Cílem dipomového projektu byla analýza stávajících technických řešení, návrh, vytvoření a ověření prediktivního technologického postupu ve formě softwarové knihovny pro PLC řady Siemens S7-1200, která s použitím vhodného typu regresní analýzy vstupních dat na začátku procesu umožní významné urychlení rozhodování o netěsnosti sledovaného testovaného objektu.

V tomto kontextu a na základě pozitivních referencí od zadavatele považuji všechny cíle projektu za úspěšně splněné a předloženou diplomovou práci hodnotím jako VÝBORNOU. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Monika Dosoudilová, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá detekcí netěsnosti pomocí hmotnostního spektrometru.
První kapitoly jsou rešeršního charakteru a uvádí základní pojmy i metody detekce netěsnosti jak se značkovacím plynem, tak bez něj.
Praktická část obsahuje návrh a sestavení měřicí stanice, měření, analýzu signálu, získávání dat a zpracování čerpacích a signálových křivek. Autor predikuje výslednou podobu signálu z detektoru pomocí lineární i nelineární regresní analýzy, v rámci které pracuje se dvěma variantami metody nejmenších čtverců.
Závěrem je provedeno pečlivé srovnání metod a implementace všech funkcí do studentem naprogramované knihovny.
Můžu konstatovat, že všechny cíle práce byly splněny. Práce je podaná zajímavým a přehledným způsobem, nechybí návaznosti mezi jednotlivými kapitolami a autor prokázal programátorské dovednosti na velmi dobré úrovni.
Práci bych vytkla jen chybu v indexaci predikovaných hodnot (str. 48), odkazy na vzorce značené kurzívou,  ale až na malé množství gramatických chyb, překlepů, které někdy nutí čitatele větu přeformulovat, je práce čtivá a velice oceňuji její praktický přínos, stejně jako pěknou práci s regresní analýzou.
Předloženou diplomovou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou  výborně / A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) Při aplikaci rekurzivní metody nejmenších čtverců nejprve pomocí MNČ určíte směrnici trendu, a teprve pokud tato směrnice překročí zvolenou mez, tak se spustí výpočet pomocí rekurzivní metody. Zajímalo by mě, jak se určí ta mez.
  2. 2) Jak moc jsou použitelné Vaše přístupy k detekci netěsnosti i mimo zmíněnou firmu LABTECH?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová