Устройство контроля герметичности изделий

 

Изобретение относится к испытательной технике и позволяет испытывать полые изделия, например автотракторные теплообменники, газом на герметичность. Устройство контроля герметичности содержит эталонную емкость, соединенный с ней через вентиль источник давления, магистраль, состоящую из двух участков, с запорным органом, выполненным в виде герметичного сосуда, частично заполненного жидкостью, двух трубок, жестко соединенных с сосудом, открытые торцы которых погружены в жидкость на одинаковую глубину, вторые торцы трубок соединены с обращенными друг к другу концами участков магистрали, один конец магистрали соединен с эталонной емкостью, а другой с изделием, индикатор с подвижной перегородкой, выполненный в виде трубки с каплей жидкости, первая полость которого сообщена с эталонной емкостью, вторая с противоположной стороны от запорного органа и узел поворота магистрали - с запорным органом, и индикатора с подвижной перегородкой вокруг оси, лежащей в плоскости, параллельной зеркалу жидкости, на угол, величина которого выбирается из условия сообщения открытых торцов трубок с воздушной полостью сосуда. Согласно изобретению к концу магистрали, соединенному с эталонной емкостью и индикатором с подвижной перегородкой, подключен возбудитель периодических колебаний давления, вызывающих возвратно-поступательные перемещения подвижной перегородки индикатора, что позволяет повысить точность контроля герметичности за счет уменьшения влияния сил поверхностного натяжения жидкостной подвижной перегородки индикатора. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и позволяет испытывать полые изделия газом на герметичность, например, автотракторные теплообменники.

Известно устройство для контроля герметичности изделий (А.С. СССР №1552033, G 01 М 3/26, 1990), которое содержит эталонную емкость, соединенный с ней через вентиль источник давления, магистраль, состоящую из двух участков, с запорным органом, выполненным в виде герметичного сосуда, частично заполненного жидкостью, двух трубок, жестко соединенных с сосудом, открытые торцы которых погружены в жидкость на одинаковую глубину, вторые торцы трубок соединены с обращенными друг к другу концами участков магистрали, один конец магистрали соединен с эталонной емкостью, а другой - с изделием, индикатор с подвижной перегородкой, выполненный в виде трубки с каплей жидкости, первая полость которого сообщена с эталонной емкостью, вторая - с противоположной стороны от запорного органа и узел поворота магистрали с запорным органом, и индикатора с подвижной перегородкой вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала жидкости, на угол, величина которого выбирается из условия сообщения открытых торцов трубок с воздушной полостью сосуда.

Однако это устройство имеет недостаточную точность контроля герметичности изделий из-за гистерезиса в перемещении подвижной перегородки индикатора - капли жидкости в трубке, связанного с силами поверхностного натяжения жидкости - подвижной перегородки индикатора, которые по проявляемой на практике физической сущности идентичны силам сухого трения.

Технический результат изобретения - повышение точности контроля герметичности за счет уменьшения влияния сил поверхностного натяжения жидкостной капли - подвижной перегородки индикатора.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве, содержащем эталонную емкость, соединенный с ней через вентиль источник давления, магистраль, состоящую из двух участков, с запорным органом, выполненным в виде герметичного сосуда, частично заполненного жидкостью, двух трубок, жестко соединенных с сосудом, открытые торцы которых погружены в жидкость на одинаковую глубину, вторые торцы трубок соединены с обращенными друг к другу концами участков магистрали, один конец магистрали соединен с эталонной емкостью, а другой - с изделием, индикатор с подвижной перегородкой, выполненный в виде трубки с каплей жидкости, первая полость которого сообщена с эталонной емкостью, вторая - с противоположной стороны от запорного органа и узел поворота магистрали с запорным органом, и индикатора с подвижной перегородкой вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала жидкости, на угол, величина которого выбирается из условия сообщения открытых торцов трубок с воздушной полостью сосуда, к концу магистрали, соединенному с эталонной емкостью и индикатором с подвижной перегородкой, подключен возбудитель периодических колебаний давления, вызывающих возвратно-поступательные перемещения подвижной перегородки индикатора.

На чертеже изображена схема устройства контроля герметичности изделий.

Устройство содержит эталонную емкость 1, соединенный с ней через вентиль 2 источник давления 3. Магистраль, состоящая из двух участков 4 и 5, соединена с эталонной емкостью 1 и изделием 6 через вентиль 7 гибкими трубопроводами 8 и 9. Герметичный сосуд 10 частично заполнен жидкостью, например, ртутью. В нее на одинаковую глубину погружены открытые торцы двух трубок 11 и 12, жестко соединенных с обращенными друг к другу концами участков 4 и 5 магистрали и с сосудом 10. Имеется узел поворота вокруг оси, лежащей в плоскости, параллельной зеркалу жидкости, на угол, величина которого выбирается из условия сообщения открытых торцов трубок 11 и 12 с воздушной полостью сосуда 10. Узел поворота выполнен в виде шарнира 13, на который опирается конец участка 4 магистрали, и неподвижной опоры 14, на которую опирается конец участка 5 магистрали. В трубке 12 выполнено отверстие 15, соединяющее ее полость с воздушной полостью сосуда 10. Индикатор 16 с подвижной перегородкой 17, например, капли токопроводящей жидкости, одной полостью соединен с участком 4 магистрали со стороны эталонной емкости, а другим - с участком 5 магистрали. Датчики положения 18 с вторичным прибором 19 измеряют положение подвижной перегородки 17. К магистрали 4, соединенной с эталонной емкостью 1 и индикатором 16 с подвижной перегородкой 17, подключен возбудитель периодических колебаний давления 20, вызывающих возвратно-поступательные перемещения подвижной перегородки 17 индикатора 16.

Устройство работает следующим образом.

Герметичную емкость 10, частично заполненную жидкостью, две трубки 5 и 4, индикатор 16 с подвижной перегородкой 17 наклоняют путем поворота вокруг шарнира 13 на угол, при котором трубки 4 и 5 полностью выходят из жидкости, находящейся в сосуде 10. Подсоединяют к магистрали эталонную емкость 1 и изделие 6 с помощью гибких трубопроводов 8 и 9. Открывают запорные вентили 2 и 7 и заполняют устройство контрольным газом от источника 3 до необходимого давления. Прекращают подвод контрольного газа путем перекрытия вентиля 2 и устанавливают сосуд 10 с индикатором 16 в горизонтальное положение на опору 14. При этом открытые торцы трубок 4 и 5 погружаются в жидкость и рассоединяют эталонную емкость 1 от изделия 6. Во время погружения трубок 4 и 5 в жидкость из них вытесняются равные объемы контрольного газа, в результате чего давления в эталонной емкости 1 и изделии 6 остаются равными. Включают в работу возбудитель периодических колебаний давления 20, создавая возвратно-поступательные движения подвижной перегородки 17 индикатора 16, и берут отсчет по вторичному прибору 19. Этот отсчет берут по крайнему левому или крайнему правому положениям перемещающейся возвратно-поступательно подвижной перегородки или по вычисленному среднему значению крайних правых и крайних левых положений подвижной перегородки. Испытывают изделие на герметичность в течение заданного промежутка времени и берут второй отсчет по вторичному прибору 19 о положении подвижной перегородки 17 при воздействии возбудителя периодических колебаний давления. О негерметичности изделия 6 судят по перемещению подвижной перегородки 17 индикатора 16 за время испытаний. Перемещение подвижной перегородки 17 измеряют датчиками положения 18 с вторичным прибором 19.

Отверстие 15 в нижней части трубки 5 предназначено для аварийного выравнивания давлений между эталонной емкостью 1 и изделием б, когда сосуд 10 не наклонен при выполнении подготовительной операции перед контролем изделия 6 на герметичность.

По сравнению с прототипом изобретение позволяет повысить точность контроля герметичности изделия за счет уменьшения влияния сил поверхностного натяжения жидкости капли в трубке - подвижной перегородки индикатора путем сообщения подвижной перегородке вынужденных возвратно-поступательных перемещений (колебаний) во время измерений положения подвижной перегородки индикатора в процессе контроля герметичности изделий.

Индикатор с подвижной перегородкой обычно представляет собой трубку (стеклянную, пластмассовую), внутри которой расположен небольшой объем жидкости - капля жидкости. На жидкость действует поверхностное натяжение σ, Н/м, на границе жидкой и газообразной сред и создается капиллярное давление Р_К, Па. Это давление определяется по формуле Лапласа (Физический энциклопедический словарь / Под редакцией А.М.Прохорова. - М.: Советская энциклопедия, 1983, стр. 243 - Капиллярные явления):

где d_m - диаметр трубки (капилляра).

Перемещению этой жидкостной перегородки противодействует сила f_k, Н, которая равна площади сечения трубки (πd²_m/4), м², умноженной на капиллярное давление Р_к, Па, то есть:

По физической сущности перемещение этой жидкостной перегородки в трубке аналогично эффекту сухого трения между двумя телами, контактирующими между собою, одно из которых перемещается относительно другого. Чтобы жидкостная перегородка в трубке начала движение, необходимо к ней приложить силу F_Д большую, чем сила F_К, то есть F_Д>F_k. Без учета возбуждаемых колебаний давления в эталонной емкости сила F_Д, Н, равна площади сечения трубки на разность давлений, приложенную к жидкостной перегородке со стороны эталонной емкости Р₁ и со стороны изделия Р₂:

При возбуждении в эталонной емкости 1 колебаний давления Р₁ от возбудителя 20 периодически изменяется Р₁ на значение ΔР₁, то есть в пределах от (Р₁-ΔP₁) до (P₁+ΔР₁). Это значение изменения давления ΔР₁, умноженное на площадь сечения трубки индикатора (πd²_m/4), создает дополнительную силу ΔF_Д, приложенную к подвижной перегородке (капле жидкости) индикатора, для возвратно-поступательного перемещения подвижной перегородки. Формула (3) в этом случае принимает вид:

Сила

по абсолютному значению должна быть больше силы, создаваемой за счет поверхностного натяжения жидкости в индикаторе с подвижной перегородкой, то есть

Из выражения (6) с учетом формул (2) и (5) получим, что

Из выражения (7) следует, чтобы подвижная перегородка в индикаторе - капля жидкости в трубке совершила движение в одну или другую сторону необходимо к ней подвести от возбудителя колебаний давление, которое по отношению к давлению в изделии создает разность давлений ΔР₁ большую, чем давление Р_К, действующее на подвижную перегородку от сил поверхностного натяжения жидкости в трубке.

Чтобы сделать заключение о герметичности изделия, берут вначале и в конце испытаний два отсчета по крайним правым или крайним левым положениям перемещающейся возвратно-поступательно подвижной перегородки индикатора. То есть, если изделие 6 не герметично и имеются утечки газа из него в атмосферу, тогда контрольное давление Р₂ в изделии несколько уменьшается по сравнению с контрольным давлением в эталонной емкости Р₁, которое остается неизменным (ввиду существенно большего объема эталонной емкости по отношению к объему изделия, контролируемого на герметичность), и эта разность давлений (Р₁-P₂) в соответствии с формулой (3) и создает силу F_Д для перемещения подвижной перегородки индикатора от утечек газа из изделия.

Повышение точности контроля герметичности достигается за счет уменьшения действия силы F_k от поверхностного натяжения жидкости путем подвода периодических колебаний к жидкостной перегородке при взятии отсчетов по положению жидкостной перегородки в трубке в начале и в конце испытаний изделия на герметичность. Принимается, что уменьшение действия силы f_k от поверхностного натяжения жидкости происходит аналогично уменьшению влияния сухого трения от частоты колебаний.

Об уменьшении влияния сухого трения от частоты колебаний указывается в книге: Коробочкин Б.Л. Динамика гидравлических систем станков. М.: Машиностроение, 1976, стр.24, описание формул (2.5) и (2.6). На стр.26 отмечается, что “На осциллограммах перемещения золотника зависимость ϕ от частоты колебаний свидетельствует об уменьшении ϕ при увеличении частоты воздействий. Следовательно, ширина гистерезисной петли является функцией частоты колебаний...”. На рисунке 2.4 на стр.28 приведен график уменьшения “фазового сдвига (ϕ) в зависимости от отношения амплитуды входного воздействия к половине зоны застоя...”. О том, что уменьшение фазового сдвига ϕ приводит к уменьшению зоны застоя, отчетливо видно из рисунка 2.2 на стр.25.

Формула изобретения

Устройство контроля герметичности, содержащее эталонную емкость, соединенный с ней через вентиль источник давления, магистраль, состоящую из двух участков, с запорным органом, выполненным в виде герметичного сосуда, частично заполненного жидкостью, двух трубок, жестко соединенных с сосудом, открытые торцы которых погружены в жидкость на одинаковую глубину, вторые торцы трубок соединены с обращенными друг к другу концами участков магистрали, один конец магистрали соединен с эталонной емкостью, а другой с изделием, индикатор с подвижной перегородкой, выполненный в виде трубки с каплей жидкости, первая полость которого сообщена с эталонной емкостью, вторая - с противоположной стороны от запорного органа и узел поворота магистрали с запорным органом и индикатора с подвижной перегородкой вокруг оси, лежащей в плоскости, параллельной зеркалу жидкости, на угол, величина которого выбирается из условия сообщения открытых торцов трубок с воздушной полостью сосуда, отличающееся тем, что к концу магистрали, соединенному с эталонной емкостью и индикатором с подвижной перегородкой, подключен возбудитель периодических колебаний давления, вызывающих возвратно-поступательные перемещения подвижной перегородки индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1