Способ низкоэнергетического контроля герметичности и устройство для его реализации

Изобретение относится к областям техники, связанным с контролем суммарной негерметичности объектов испытаний, например, емкостей или элементов пневматических схем, заправленных газом с избыточным давлением на стадиях их изготовления и эксплуатации. Изобретение направлено на повышение точности и чувствительности, а также сокращение времени испытаний, что достигается тем, что определение величины потока газа из объекта испытаний производят по количеству предварительно уравновешенной вакуумированием жидкости, вытесненной за определенный интервал времени натекающим газом из вертикально расположенной трубки, имеющей на конце фильеру с контрольным отверстием, присоединенной к выходному штуцеру вакуумной камеры, а по количеству предварительно уравновешенной вакуумированием жидкости, вытесненной за определенный интервал времени натекающим газом из второй вертикально расположенной трубки, имеющей на конце фильеру с контрольным отверстием, сообщенной с полостью, образованной уплотнительными поверхностями двухбарьерного уплотнения, установленного на стыке крышки и корпуса вакуумной камеры, определяют негерметичность вакуумной камеры и вводят поправку в величину негерметичности объекта испытаний, заполнение обеих трубок производят одновременно с откачкой вакуумной камеры путем погружения фильер обеих трубок в сосуды с контрольной жидкостью на время откачки, а откачку с последующим разобщением трубок производят до давления, определяемого формулой Рвк=Ра-ρ·g·hст, где Рвк - давление в вакуумной камере; Pa - атмосферное давление; ρ - плотность контрольной жидкости; g - ускорение свободного падения; hст - высота столба жидкости в сосуде. 2.н.з. п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к областям техники, связанным с контролем суммарной негерметичности объектов испытаний, например, емкостей, или элементов пневматических схем, заправленных газом с избыточным давлением. Областью применения изобретения является контроль герметичности различных объектов на стадиях изготовления и эксплуатации.

Методы, используемые при испытаниях на герметичность на предприятиях, работающих в области авиационно-космической техники, приведены в отраслевом стандарте ОСТ92-4316-90. Наиболее характерными из них являются:

- масс-спектрометрические методы (ОСТ 92-1527-89);

- способы, основанные на измерении перепада давления, например методы "спада давления" и "повышения давления в барокамере" по ОСТ 92-4291-75;

- способы, связанные с прямым измерением величины потока, например метод "мундштука" по ОСТ 92-4291-75.

Масс-спектрометрические способы измерения микропотока газа (ОСТ 92-1527-89), как правило, имеют существенную, до 60%, погрешность.

Чувствительность методов измерения микропотоков газа, основанных на измерении перепада давления, определяется совершенством применяемых средств измерения давления (манометров и вакуумметров) и для методов "спада давления" и "повышения давления в барокамере" составляет 10^-2...10 л мкм рт.ст./с.

Прототипом заявляемого изобретения (для способа) выбран метод повышения давления в вакуумной полости по ОСТ 92-4291-75.

Метод применяется для определения негерметичности изделий, заправленных избыточным давлением и помещенных в вакуумную камеру.

Метод заключается в определении негерметичности путем измерения скорости повышения давления в вакуумной полости при поступлении контрольного потока газа.

Недостатком метода является низкая точность и значительная длительность цикла испытаний.

Целью данного изобретения (для способа) является:

1. Повышение точности измерений негерметичности объекта испытаний;

2. Сокращение времени испытаний.

Эта цель достигается тем, что определение величины потока газа из объекта испытаний производят по количеству предварительно уравновешенной вакуумированием жидкости, вытесненной за определенный интервал времени натекающим газом из вертикально расположенной трубки, имеющей на нижнем конце фильеру с контрольным отверстием, присоединенной к выходному штуцеру вакуумной камеры, а по количеству предварительно уравновешенной вакуумированием жидкости, вытесненной за определенный интервал времени натекающим газом из второй вертикально расположенной трубки, имеющей на нижнем конце фильеру с контрольным отверстием, сообщенной с полостью, образованной уплотнительными поверхностями двухбарьерного уплотнения, установленного на стыке крышки и корпуса вакуумной камеры, определяют негерметичность вакуумной камеры и вводят поправку в величину негерметичности объекта испытаний, заполнение обеих трубок производят одновременно с откачкой вакуумной камеры путем погружения фильер обеих трубок в сосуды с контрольной жидкостью на время откачки, а откачку с последующим разобщением трубок, производят до давления, определяемого формулой:

где Рвк - давление в вакуумной камере;

Pa - атмосферное давление;

ρ - плотность контрольной жидкости;

g - ускорение свободного падения;

hcт - высота столба жидкости в сосуде.

Из устройств, применяемых в настоящее время для контроля суммарной негерметичности объектов испытаний, известны различные вакуумные камеры (устройства для реализации методов "мундштука", "спада давления", "повышения давления в барокамере", масс-спектрометрических методов).

Во всех указанных выше случаях применения вакуумных камер в различной степени проявляется влияние герметичности стыка вакуумной камеры на точность и чувствительность измерений. По мере повышения чувствительности метода, как правило, возрастает необходимость учета собственного натекания вакуумной камеры. Также, следует отметить, что для приведенных выше аналогов характерна пропорциональная зависимость чувствительности метода и длительности испытаний. В зависимости от объема, времени откачки камеры, времени накопления измеряемого давления, распределения концентрации контрольного газа, длительность цикла испытаний может достигать нескольких часов.

Прототипом заявляемого изобретения (для устройства) выбрано устройство для реализации метода повышения давления в вакуумной полости по ОСТ 92-4291-75. Устройство представляет собой вакуумную камеру, в которую помещен объект испытаний, нагружаемый избыточным испытательным давлением через гермопроходной штуцер от внешнего пневматического пульта; выходной штуцер вакуумной камеры через магистраль, сообщенную через вентиль с системой откачки, выведен на вакуумметр. Максимальная чувствительность метода в производственных условиях составляет 1,3·10-6 Вт (1,0·10-2 л мкм рт.ст./с).

Недостатком прототипа является низкая чувствительность, определяемая, в свою очередь, техническими характеристиками чувствительного элемента, в качестве которого используется мановакуумметр.

Целью данного изобретения (для устройства) является повышение чувствительности метода до 1,3·10-11 Вт (1,0·10-7 л мкм рт.ст./с).

Эта цель достигается тем, что стык между крышкой и корпусом камеры выполнен с двухбарьерным уплотнением, вакуумная камера и полость, образованная двухбарьерным уплотнением и уплотнительными поверхностями корпуса и крышки камеры, сообщены соответственно с верхними частями двух вертикально расположенных трубок, имеющих на нижних концах фильеры с контрольными отверстиями, верхние отводы обеих трубок сообщены с возможностью разобщения между собой и через вентиль выведены на магистраль откачки.

Суть изобретения поясняется чертежом, где изображена пневмогидравлическая схема устройства низкоэнергетического контроля герметичности (НЭКГ).

Конструктивно устройство низкоэнергетического контроля герметичности состоит из корпуса 1 и крышки 2 вакуумной камеры, стык которых уплотняется двухбарьерным уплотнением 3. Объект испытаний 4 через гермопроходной штуцер соединен с пневматическим пультом 5. Полость двухбарьерного уплотнения стыка сообщена с вертикальной трубкой 6, имеющей на нижнем конце фильеру с контрольным отверстием, через штуцер 7. Идентичная вертикальная трубка 8 через штуцер 9 сообщена с полостью вакуумной камеры. Обе трубки объединены с возможностью разобщения через вентили 10, 11 между собой общей магистралью, выведенной на систему откачки 12.

Процесс низкоэнергетического контроля герметичности происходит следующим образом.

Объект испытаний 4 помещается в корпус вакуумной камеры 1 и закрывается крышкой 2, уплотняемой двухбарьерным уплотнением 3.

Фильеры трубок 6 и 8 погружаются в сосуды с контрольной жидкостью. При открытых вентилях 10 и 11 включается система откачки 12 и производится вакуумирование всей пневмогидравлической схемы до давления Рвк, определяемого формулой (1). В процессе откачки трубки 6 и 8 заполняются контрольной жидкостью до заданного уровня - hcт₀, после чего откачка прекращается, вентили 10 и 11 закрываются. Сосуды с контрольной жидкостью убираются из-под фильер.

Объект испытаний нагружается испытательным давлением. В течение определенного времени производится выдержка для опрессовки объекта испытаний.

Начинается истечение контрольной жидкости через контрольное отверстие фильеры вертикальной трубки 8. При небольших (менее 1,3·10^-6 Вт (1,0·10^-2 л мкм рт.ст./с)) утечках из объекта испытаний истечение контрольной жидкости происходит в капельном режиме. По количеству вытесненной жидкости и времени истечения определяется физическая величина утечки из объекта испытаний.

По наличию истечения контрольной жидкости через контрольное отверстие фильеры вертикальной трубки 6 контролируется динамика изменения давления в полости двухбарьерного уплотнения стыка и, при необходимости, принимается решение о достоверности результатов, либо вводится поправка измеренной физической величины утечки из объекта испытаний.

Чувствительность метода, по предварительным оценкам, может составлять 7,7·10^-11 Вт и лучше.

Ожидаемая относительная погрешность измерения микропотока при неизменных внешних условиях (температура, влажность) - менее 3-5%.

Длительность цикла испытаний (при лучшей, по сравнению с прототипом, точности и чувствительности) может быть сокращена при прочих равных условиях (объем вакуумной камеры, перепад между испытательным давлением и давлением в камере) в несколько раз.

К характерным примерам применения данного изобретения можно отнести два типа проверок суммарной негерметичности:

1) Низкоэнергетический контроль герметичности объектов испытаний. Особенностями данного типа проверок являются: высокая чувствительность (на уровне масс-спектрометрических методов) без необходимости использования в качестве контрольного газа гелия; высокая точность измерений. Поскольку для испытаний достаточно низкой степени откачки (см формулу (1)), т.е. абсолютное давление в камере может составлять около 0,8...0,9 атмосферы, значительно сокращаются: длительность цикла испытаний, энергетические затраты на откачку до высокого вакуума, расход ресурса вакуумных насосов, стоимость цикла испытаний в целом.

2) Контроль герметичности объектов испытаний, предварительно заправленных избыточным давлением. Данный тип проверок позволяет производить такие операции, как определение суммарной негерметичности блоков хранения рабочего тела космических аппаратов после их окончательной заправки;

контроль качества никель-водородных аккумуляторных батарей (определение утечки водорода через корпус батареи); определение утечки из емкости, заправленной токсичным или легковоспламеняющимся газом.

Проверки суммарной негерметичности заявляемым методом не требуют сложного, дорогостоящего оборудования и могут выполняться как на этапах изготовления, так и эксплуатации различных видов технической продукции.

1. Способ контроля суммарной негерметичности объекта испытаний, заполненного газом с избыточным давлением, помещенного в вакуумную камеру, заключающийся в измерении потока газа из объекта испытаний, отличающийся тем, что определение величины потока газа из объекта испытаний производят по количеству предварительно уравновешенной вакуумированием жидкости, вытесненной за определенный интервал времени натекающим газом из вертикально расположенной трубки, имеющей на нижнем конце фильеру с контрольным отверстием, присоединенной к выходному штуцеру вакуумной камеры, а по количеству предварительно уравновешенной вакуумированием жидкости, вытесненной за определенный интервал времени натекающим газом из второй вертикально расположенной трубки, имеющей на нижнем конце фильеру с контрольным отверстием, сообщенной с полостью, образованной уплотнительными поверхностями двухбарьерного уплотнения, установленного на стыке крышки и корпуса вакуумной камеры, определяют негерметичность вакуумной камеры и вводят поправку в величину негерметичности объекта испытаний, заполнение обеих трубок производят одновременно с откачкой вакуумной камеры путем погружения фильер обеих трубок в сосуды с контрольной жидкостью на время откачки, а откачку с последующим разобщением трубок производят до давления, определяемого формулой

Рвк=Ра-ρ·g·hcт,

где Рвк - давление в вакуумной камере;

Pa - атмосферное давление;

ρ - плотность контрольной жидкости;

g - ускорение свободного падения;

hcт - высота столба жидкости в сосуде;

2. Устройство контроля суммарной негерметичности объекта испытаний, содержащее вакуумную камеру с помещенным в нее объектом испытаний, сообшенную с системой откачки, отличающееся тем, что стык между крышкой и корпусом камеры выполнен с двухбарьерным уплотнением, вакуумная камера и полость, образованная двухбарьерным уплотнением и уплотнительными поверхностями корпуса и крышки камеры, сообщены соответственно с верхними частями двух вертикально расположенных трубок, имеющих на концах фильеры с контрольными отверстиями, верхние отводы обеих трубок сообщены с возможностью разобщения между собой и через вентиль выведены на магистраль откачки.