Способ испытания изделий на герметичность

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам испытаний на герметичность изделий, работающих в вакууме, например в космосе. Технический результат изобретения - повышение точности определения количественного значения течи в вакууме, удешевление и сокращение времени испытаний. Испытание проводят при наружном давлении воздуха, равном атмосферному, внутри изделия создают избыточное давление воздуха не менее 1,95 ата, а понижение давления внутри изделия производят до значения не менее 1,9 ата, при этом время спада давления внутри того же изделия при истечении воздуха в вакуум определяют по предлагаемой и описанной в изобретении математической формуле.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам испытания на герметичность изделий, работающих в вакууме, например в космосе.

Известей способ испытания изделий на герметичность по А.С.1705711 G 01 M 3/26, заключающийся в размещении изделия в вакуумной камере, создании внутри изделия испытательного давления, а в вакуумной камере - вакуума, и измерении изменения давления в камере за время выдержки, по которому и судят о герметичности изделия.

Недостатком известного способа является необходимость применения дорогостоящей вакуумной камеры, а также необходимость создания в ней высокого вакуума, что требует больших затрат энергии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ контроля герметичности гермоотсеков по А.С. 1837186 G 01 M 3/26, заключающийся в том, что гермоотсек заполняют контрольным газом до избыточного давления и измеряют спад давления газа в гермоотсеке за фиксированный интервал времени.

Известный способ проведения испытаний позволяет подтвердить соответствие герметичности испытываемого изделия заданному значению.

Однако известный способ не позволяет количественно оценить герметичность испытываемого изделия при его эксплуатации в условиях вакуума.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является определение количественного значения течи в условиях эксплуатации изделия.

Ожидаемый технический результат заключается в повышении точности определения количественного значения течи в вакууме, а также в удешевлении и сокращении времени испытаний.

Поставленная задача решается путем создания внутри испытываемого изделия избыточного давления воздуха и измерении времени спада давления на заданную величину, причем испытания проводят при наружном давлении воздуха, равном атмосферному, внутри изделия создают избыточное давление воздуха не менее 1,95 ата, а понижение давления внутри изделия производят до значения не менее 1,9 ата, при этом время спада давления внутри того же изделия при истечении воздуха в вакуум определяют по формуле: где t_в - время спада давления при истечении воздуха в вакуум, t_а - время спада давления при истечении воздуха в атмосферу, P_0в, P_2в - начальное и конечное давление при истечении воздуха в вакуум, P_0а, P_2а - начальное и конечное давление при истечении воздуха в атмосферу.

Герметичность изделий, работающих в вакууме, обеспечивается их конструкцией, поэтому при испытании их на герметичность оценивают суммарное значение течи через очень малые отверстия корпуса. При этом применимы законы газодинамики, справедливые для истечения воздуха из какого-либо резервуара через малое отверстие (Сушков В.В. Техническая термодинамика. - М.-Л.: Госэнергоиздат, стр. 182, 185, 180).

В самом узком сечении отверстия устанавливается скорость потока воздуха равная скорости звука, при этом давление воздуха в этом сечении равно критическому, причем P_кр=0,528 P₀, где P₀ - давление в резервуаре. Если профиль отверстия близок к цилиндрическому, то расширение воздуха от давления P₀ до внешнего давления P происходит не в отверстии, а по выходе из него, по разным направлениям. Таким образом, можно считать, что давление воздуха в отверстии равно 0,528 P₀, что в случае истечения в вакуум и P₀, равном 1 ата, составляет 0,528 ата или округленно 0,5 ата.

В случае истечения воздуха из резервуара с давлением P₀ большим 1 ата в атмосферу с давлением P=1 ата, давление воздуха в течи будет заведомо большим 0,5 ата.

Таким образом, протекание воздуха по отверстиям течей происходит при минимальном давлении 0,5 ата. Однако поперечные сечения течей могут быть настолько малы, что условия истечения воздуха приближаются к условиям вакуума. Дело в там, что режимы истечения связаны с длиной свободного пробега молекул воздуха в течи между соударениями с другими молекулами или стенками течи. Из этих соображений получен критерий. Кнудсена, равный отношению числа соударений со стенками к числу соударений между молекулами или отношение длины свободного пробега λ молекулы к диаметру d течи.

Вязкостный режим протекания воздуха может быть приближенно ограничен значением K_n= 0,1 при вязкостно-молекулярном режиме течения (Розанов Л. Н. Вакуумная техника. - М. - Л.: В.Ш., 1990 г., стр. 21, 58).

Для воздуха при комнатной температуре где с P - давление Па равное 0,5·10⁵ Па, тогда , откуда = 1,34 · 10^-6 м.

Это минимальный диаметр течи, истечение воздуха через которую подчиняется законам газодинамики. Интенсивность течи через такое отверстие равна 2·10^-5 и при объеме вакуумированного резервуара емкостью в один литр давление в нем повысится на один мм.рт.ст. за 14 часов. Такая течь существенна лишь в установках высокого вакуума с малым объемом.

Таким образом, вязкостное течение воздуха, подчиняющееся законам газодинамики, существует в отверстиях с диаметром более 1,34·10^-6 м. Течами через меньшие отверстия можно пренебречь, поскольку они не превосходят погрешностей при измерении существенных течей.

Истечение воздуха из резервуара через малое отверстие в атмосферу или вакуум обладает важной особенностью. Если обозначить через P₀, ρ_o, T₀ соответственно давление, плотность, температуру воздуха внутри резервуара, a P, ρ T - соответственно давление, плотность, температуру воздуха снаружи, то отношение = 0,528 называется критическим, и при неизменном состоянии воздуха в резервуаре, т.е. при P₀, ρ_o, T₀ - const и ≅ 0,528, расход через отверстие также будет постоянным, не зависящим от противодавления среды, куда происходит истечение через отверстие.

Если отношение > 0,528, т.е. больше критического, то массовый расход, по мере увеличения противодавления P, снижается и при = 1 становится равным нулю.

Использование этой особенности, т.е. неизменности массового расхода при ≅ 0,528, позволяет определить зависимость продолжительности истечения воздуха из резервуара, которое сопровождается понижением давления в нем от P₀ до P₂.

Считаем процесс расширения воздуха в резервуаре адиабатическим, т. е. без теплообмена с внешней средой, что соответствует истечению воздуха через малую течь.

За промежуток времени Δt давление в резервуаре понизится на Δp , а плотность на Δρ . Масса воздуха изменится на Δm = -VΔρ, где V - объем резервуара. С другой стороны -VΔρ = MΔt, где M - массовый расход. Знак минус означает опорожнение резервуара. Тогда

Из уравнения идеального газа Клапейрона

Вторым членом полученного уравнения пренебрегаем за малостью, считая изменение плотности от изменения температуры незначительным ввиду относительно малых расходов.

Тогда

Массовый расход для докритического режима при ≅ 0,528;
кг/сек и
но

Переходя к бесконечно малым, получим

Проинтегрировав дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, получим

При t = 0; P₂ = P₀ и l_n = l_n 1 = 0, т.е. C = 0.

Окончательно
с.

Для воздуха m = 0,685, R₀ = 287, 14 D_ж/кг·град, t ≈ 273 + 20 = 293^oK и, переходя к десятичным логарифмам, получим

где V - внутренний объем резервуара, м³,
ω_o - площадь сечения течи, м²,
P₀ - начальное давление в резервуаре, Па,
P₂ - конечное давление в резервуаре. Па,
Эта формула действительна при условии, ≅ 0,528, где P - наружное давление и P₀ - внутреннее давление в резервуаре.

При истечении воздуха из резервуара в вакуум, т.е. при P≈0, данное условие критического отношения давлений выполняется при любых значениях P₀. Однако, при истечении воздуха в атмосферу с давлением P=1 ата, внутреннее давление P₀ ограничивается значением P₀ ≥ = 1,89 ата или округленно P₀ ≥ 1,9 ата. Таким образом, в случае истечения воздуха в атмосферу, применимость формулы (I) ограничивается следующим условием: значение внутреннего давления должно быть не менее 1,9 ата. В случае точной имитации условий вакуума, давление P₀ должно равняться 2 ата, а P₂=1,9-1,95 ата.

Если изделие по условиям прочности допускает повышение перепада давления более 1 ата, то P₀ может быть увеличено до допустимого значения. Значение P₂ в этом случае также не должно быть менее 1,9 ата.

Выполнение эксперимента с истечением воздуха в атмосферу дает время, необходимое на понижение давления в изделии от P_0а до P_2а, что позволяет, применив формулу (I), найти суммарную площадь всех течей в изделии

Вновь применив формулу (I) для любых заданных условий истечения воздуха из изделия в вакуум, т.е. P_0а и P_2в, получим искомое время истечения

При этом P_0в и P_2в не обязательно должны быть равными соответственно P_0а и P_2а, они могут существенно отличаться друг от друга.

Вычисления времени понижения давления при истечении воздуха в атмосферу и в вакуум при равных интервалах понижения давления показывают, что время, необходимое на понижение давления с 2 до 1,9 ата, при истечении в атмосферу почти в 2 раза (2,06 раза) меньше, чем время, необходимое на понижение давления с 1 до 0,9 ата при истечении в вакуум.

Согласно формуле (3) имеем

Произведенные эксперименты подтвердили результаты расчетов. Эксперименты производились с имитатором изделия, представляющим собой сварной цилиндр из нержавеющей стали с внутренним объемом V=1,16 литра или 1,16·10^-3 м³. Цилиндрический резервуар был оснащен манометром класса 1 на 3 ата, штуцером для подачи воздуха и запорным вентилем.

Эксперимент N 1.

В резервуар подан сжатый воздух, и давление в нем повышено до 2 ата. Понижение давления до 1,96 ата произошло за 600 секунд при внешнем атмосферном давлении. Затем резервуар был помещен в вакуумную камеру, внутри которой был создан вакуум до 1·10^-4 мм.рт.ст., давление внутри резервуара установлено равным 1,03 ата. Через 3600 с давление в резервуаре снизилось до 0,9 ата. Применив формулу (3), найдем расчетом время понижения давления в резервуаре, помещенном в вакуумную камеру.

При фактически измеренном 3600 с.

Ошибка составила 288 с, или 8%.

Эксперимент N 2.

Давление в резервуаре с другой течью повышено до 2,05 ата Понижение давления до 1,9 ата произошло за 600 с при истечении в атмосферу. В вакуумной камере давление в том же резервуаре за 5220 с понизилось от 1,03 ата до 0,55 ата. Применив формулу (3), получим время понижения давления в вакууме

Фактически 5220 с. Погрешность составила 48 с, или -1%.

Таким образом, результаты экспериментов достаточно точно подтверждают данные, полученные расчетным путем. Попутно, использование формулы (2) позволяет определить эквивалентную площадь сечения течей.

Для эксперимента N 1.

φ=0,0166 мм.

Для эксперимента N 2.

ω_o = 7,08 · 10^-10 м²,
φ = 0,03 мм.

Формула изобретения

Способ испытания на герметичность изделий, работающих в вакууме, заключающийся в создании внутри изделия избыточного давления воздуха и определении времени спада давления воздуха при истечении в вакуум, отличающийся тем, что испытания проводят при наружном давлении воздуха, равном атмосферному, внутри изделия создают избыточное давление воздуха не менее 1,95 ата, производят понижение давления воздуха внутри изделия до значения не менее 1,9 ата, при этом время спада давления внутри того же изделия при истечении воздуха в вакуум определяют по формуле

где t_в - время спада давления при истечении воздуха в вакуум;
t_а - время спада давления при истечении воздуха в атмосферу;
Р_ов, Р_2в - начальное и конечное давление при истечении воздуха в вакуум;
Р_оа, Р_2а - начальное и конечное давление при истечении воздуха в атмосферу.