Способ проверки герметичности замкнутых объемов

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в космической технике, а именно при проверке герметичности участков трубопроводов пневмогидравлических систем в условиях существенного изменения температуры. Изобретение направлено на повышение точности определения величины утечки и возможность обеспечения автоматизации процесса проверки герметичности замкнутых объемов за счет использования информации о давлении и температуре, получаемой с помощью изобретения. Этот результат обеспечивается за счет того, что способ включает создание в проверяемом замкнутом объеме V заданного давления газа, замер давления в начале Р_н и в конце Р_к установленного промежутка времени τ_к. При этом одновременно с определением начального давления Р_н измеряют начальную температуру Т_н газа. Измеряют в конце установленного промежутка времени τ_к одновременно с определением давления газа Р_к температуру Т_к. Определяют суммарную массовую утечку газа G_к и в случае выполнения соотношения G_к<G_зад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом G_к и τ_к должны удовлетворять соотношениям, приведенным в формуле изобретения. 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а точнее к способам проверки герметичности замкнутых объемов, например участков трубопроводов пневмогидравлических систем в условиях орбитального космического полета.

Известны способы проверки герметичности замкнутых объемов, например описанный в [1, с.217] и используемый для проверки герметичности пневмогидравлических систем. Способ заключается в создании в испытуемом объекте избыточного давления и в замере давления в начале и в конце установленного промежутка времени. Недостатком данного способа является необходимость достаточно большой выдержки для выравнивания температур испытываемого объекта и окружающей среды. Этот способ рекомендуется применять при проверке герметичности объектов с ограниченным испытываемым объемом, не превышающим 0,5 л [1, с.217]. Кроме того, во время испытания объектов на герметичность данным способом необходимо поддерживать температуру окружающей среды неизменной (изменение не более чем на ±2 К) с заданной точностью, что в условиях космического полета не всегда возможно.

Прототипом предложенного способа является способ проверки герметичности замкнутых объемов, описанный в [2] и включающий создание в проверяемом замкнутом объеме заданного давления газа, замеры давления в начале и в конце установленного промежутка времени. Проверяемый участок трубопровода заполняется газом наддува с заданным расходом до определенного давления. Большая негерметичность определяется по установившемуся показанию прибора, измеряющего расход. Если негерметичность меньше чувствительности прибора, измеряющего расход, то проверяемый участок трубопровода перекрывается (например, с помощью закрытия клапана наддува), образуя замкнутый объем, в котором по снижению показаний прибора измерения давления за фиксированный промежуток времени определяется величина утечки газа.

Недостатком прототипа является необходимость поддержания температуры окружающей среды в период проверки герметичности на постоянном уровне, что не всегда возможно в условиях космического полета. Расположение пневмогидравлической системы или отдельных его участков вне зоны, обеспечивающей заданный и контролируемый температурный режим, может приводить к температурным колебаниям в проверяемом замкнутом объеме, например, двух состыкованных кораблей, содержащих трубопровод, подлежащий проверке герметичности. Температурные колебания могут происходить, например, на каждом витке орбитального космического полета и вызваны изменением освещенности проверяемого замкнутого объема Солнцем.

Техническим результатом, получаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность применить способ проверки герметичности замкнутых объемов в условиях существенного изменения температуры газа в контролируемом замкнутом объеме и тем самым повысить точность определения величины утечки.

Поставленная задача достигается способом проверки герметичности замкнутых объемов, включающим создание в проверяемом замкнутом объеме V заданного давления газа, замер давления в начале Р_н и в конце P_к установленного промежутка времени τ_к, отличающимся тем, что одновременно с определением начального давления Р_н измеряют начальную температуру Т_н газа в замкнутом объеме, измеряют в конце установленного промежутка времени τ_к одновременно с измерением давления газа Р_к температуру Т_к; затем определяют суммарную массовую утечку газа G_к и в случае выполнения соотношения G_к<G_зад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом G_к и τ_к удовлетворяют соотношениям:

где временной шаг

G_зад - заданная степень герметичности замкнутого объема V;

В - удельная газовая постоянная;

ΔР, ΔT - предельные абсолютные погрешности определения давления и температуры соответственно.

Значения измеряемых, т.е. имеющих приближенное значение, переменных (давление, температура), а также массовой утечки газа, определяемой по результатам косвенных измерений, будем отмечать курсивом. Размерности всех величин соответствуют Международной системе единиц: τ_к, Δτ [с]; V [м³]; P_н, Р_к, ΔР [Па]; Т_н, Т_к, ΔТ [К]; В [Дж/(кг·К)]; G_к, G_зад [кг/с].

Задание временного шага Δτ, удовлетворяющего соотношению (3), объясняется тем, что выбор установленного промежутка времени τ_к<Δτ при изменении контролируемых параметров в пределах погрешностей применяемой датчиковой аппаратуры может привести к искажению результатов реальной утечки газа из контролируемого замкнутого объема. Использование соотношения (3) позволяет избежать ошибки в определении величины утечки, поскольку при шаге, меньшем предлагаемого в изобретении, в результате погрешностей значений переменных недопустимая утечка может быть не выявлена. Особенно эта ситуация опасна для автоматизированной системы управления, если в алгоритме режима проверки герметичности не учтено это обстоятельство.

В качестве конкретного примера на фиг.1 изображен фрагмент функционально-пневмогидравлической схемы, реализующей предлагаемый способ, а на фиг.2 приведены результаты конкретных расчетов, поясняющих суть способа.

В схему на фиг.1, в частности, входят участок трубопровода 1, заключающий проверяемый замкнутый объем 2, и ограниченный клапаном 3 и клапаном наддува 4 регулятор давления газа наддува 5, регулятор расхода газа наддува 6, являющийся частным случаем расходомера, так как обеспечивает стабильный массовый расход газа, датчики давления 7 и температуры 8 газа, газовая магистраль 9, система управления 10, получающая информацию с датчиков.

Способ проверки герметичности замкнутых объемов реализуется следующим образом.

После встречи и стыковки на орбите двух кораблей (на чертеже не показаны) образуется совместный участок трубопровода 1, заключающий проверяемый замкнутый объем 2. Замкнутый объем 2 ограничен клапаном 3, находящимся в положении "закрыто", и клапаном наддува 4 в объединенной для двух состыкованных кораблей функционально-пневмогидравлической системе. На вход регулятора давления газа наддува 5 подается сжатый газ, имеющий произвольное давление, но заведомо большее уставки регулятора давления газа наддува 5, который приобретает на выходе стабильное заданное давление. Регулятор расхода газа наддува 6 при наличии на входе газа со стабильным давлением обеспечивает протекание по газовой магистрали 9 газа со стабильным расходом. Система управления 10 получает информацию о положении клапана наддува 4, а также датчиков давления 7 и температуры 8 газа наддува на участке трубопровода 1 и выдает, по результатам анализа поступившей информации, команды на исполнительные органы управления клапаном наддува 4. После открытия клапана наддува 4 давление в проверяемом участке трубопровода 1 плавно нарастает благодаря стабильному расходу газа, задаваемому регулятором давления газа наддува 5 и регулятором расхода 6. Если величина негерметичности проверяемого участка трубопровода 1 превышает расход газа наддува или равна ему, то давление по показаниям датчика давления 7 в проверяемом участке трубопровода 1 не растет, т.е. проверяемый участок трубопровода 1 не герметичен, и системой управления 10 подается команда исполнительным органам клапана наддува 4 на его закрытие, прекращая тем самым дальнейшую утечку газа. Если величина негерметичности проверяемого участка трубопровода 1 меньше расхода газа наддува, то, когда давление в нем достигает заданной величины уставки, регистрируемой датчиком давления 7, системой управления 10 подается команда исполнительным органам клапана наддува 4 на его закрытие. В результате чего проверяемый участок трубопровода 1 представляет уже замкнутый объем 2, который подлежит дальнейшему исследованию на герметичность. После закрытия клапана наддува 4 и создания в проверяемом замкнутом объеме 2 заданного давления газа начинается режим проверки герметичности замкнутого объема 2. По информации с датчиков давления 7 и температуры 8, поступающей в систему управления 10, определяют в замкнутом объеме 2 начальное давление Р_н и начальную температуру Т_н газа.

Считаем известными предельные абсолютные погрешности измерений давления ΔР и температуры ΔT с помощью датчиков давления 7 и температуры 8. Считаем известной степень герметичности замкнутого объема G_зад, которая задается конструктором, исходя из условия обеспечения работоспособности изделия. После чего по выражению (3) определяем временной шаг Δτ.

Периодически, через временной шаг Δτ, в конце установленного промежутка времени τ_к, удовлетворяющего соотношению (2), по показаниям датчиков давления 7 и температуры 8 и передаваемых системе управления 10 определяется одновременно давление Р_к и температура Т_к, определяется суммарная утечка газа G_к по соотношению (1). В случае выполнения соотношения G_к<G_зад считаем проверяемый замкнутый объем 2 герметичным.

Для надежности результатов определения герметичности проверяемого замкнутого объема 2 датчики давления 7 и температуры 8 могут быть задублированы. Кроме того, информация с датчиков давления 7 и температуры 8, поступающая с частотой опроса f в систему управления 10, берется не менее 3-х раз [1, с.217] для определения среднего арифметического значения массы газа в замкнутом объеме 2 в начале и в конце установленного промежутка времени τ_к. Частота опроса f контролируемых параметров известна, она зависит от свойств системы управления 10 и, очевидно, в этом случае должна удовлетворять соотношению 1/f≪Δτ≤τ_к [4, с.123].

Выражение (1) получено с использованием уравнения Клапейрона-Менделеева для идеального газа [3, с.151]

где Р - давление газа, Па;

V - объем газа, м³;

М - масса газа, кг;

В - удельная газовая постоянная, Дж/(кг•К);

Т - температура, К.

Из выражения (4) определяем массу газа в замкнутом объеме

Используя выражение (5), можно определить утечку газа из замкнутого объема V как убыль массы газа за установленный промежуток времени τ_к по выражению

где переменные Р_н, Т_н и Р_к, Т_к - соответственно давление, температура в начале и в конце установленного промежутка времени τ_к. Подставив измеряемые значения переменных Р_н, Т_н, Р_к, Т_к, соответственно обозначенных курсивом как Р_н, Т_н, Р_к, Т_к, в (6), получаем соотношение (1) для определения массовой утечки G_к (G_к, вычисленная по результатам измерений, отмечена курсивом).

За чувствительность контроля герметичности предлагаемым способом принимаем погрешность определения G_к как функции переменных Р_н, Т_н, Р_к, Т_к на временном интервале Δτ, для которого показания датчиков давления и температуры находятся в пределах погрешности измерения этими датчиками, т.е. принимаем Р_к=Р_н, Т_к=Т_н.

В соответствии с теорией погрешностей [5, с.132], считая известными предельные абсолютные погрешности для значений переменных Р_н, Т_н, Р_к, Т_к, малых по сравнению с соответствующими переменными и соответственно равных ΔР_н, ΔТ_н, ΔР_к, ΔТ_к, определим предельную абсолютную погрешность ΔG, удовлетворяющую соотношению |G_к-G_к|≤ΔG. ΔG равна сумме произведений модулей частных производных функции G_к (6) по переменным Р_н, Т_н, Р_к, Т_к на предельную абсолютную погрешность соответствующего значения переменной [5, с.132]

Поскольку значения измеряемых температур и давлений в проверяемом замкнутом объеме больше их предельных абсолютных погрешностей, то (7) можно записать в виде

Измерение давления и температуры в начале и в конце рассматриваемого промежутка времени Δτ производится одними и теми же датчиками, поэтому считаем предельные абсолютные погрешности для значений переменных Р_н, Р_к и Т_н, Т_к соответственно равны ΔР и ΔТ. Тогда выражение (7') после преобразований имеет вид

Проводим контроль герметичности с чувствительностью, равной заданной степени герметичности, т.е. принимаем ΔG=G_зад, откуда из выражения (8) получаем соотношение (3) для временного шага Δτ

Приведем конкретный пример реализации предложенного способа проверки герметичности замкнутых объемов. В качестве газа наддува используем одноатомный газ гелий, удельная газовая постоянная которого равна отношению газовой постоянной к атомной массе, т.е. В=2077 Дж/(кг•К). Принимаем контролируемый замкнутый объем V=10^-2 м³.

После закрытия клапана наддува 4 и создания в проверяемом замкнутом объеме 2 заданного давления газа начинается режим проверки герметичности замкнутого объема 2. Измеряем в замкнутом объеме 2 начальное давление и начальную температуру газа соответственно датчиками давления 7 и температуры 8 (после обработки информации в системе управления 10, например, получили Р_н=2·10⁶ Па, Т_н=300 К). Считаем, что давление и температура газа в замкнутом объеме 2 определена с известной предельной абсолютной погрешностью (для давления ΔР=2·10⁴ Па, для температуры ΔT=2 К). Задана степень герметичности замкнутого объема G_зад=10^-7 кг/с. После чего по выражению (3) определяем временной шаг

Через временной шаг Δτ в конце установленного промежутка времени τ_к=к•Δτ (к=1,2,...) снимаем показания с датчиков давления 7 и температуры 8 и передаем системе управления 10. После соответствующей обработки этой информации, предположим, имеем для к=1 τ_к=Δτ=1,07·10⁴ с следующие значения переменных: Р_к=19,8·10⁵ Па, Т_к=303 К. Определяем суммарную утечку газа G_к для установленного промежутка времени τ_к, воспользовавшись выражением (1). Откуда получаем для G_к=V/В•(P_н/Т_н-Р_к/Т_к)/τ_к=10^-2/2077•(2·10⁶/300-19,8·10⁵/303)/1,07·10⁴≅7,3·10^-8 кг/с. Откуда получаем G_к<G_зад.

Поскольку соотношение (3) получено при вышеуказанных предположениях, убедимся в верности полученного результата, аналогично повторив для к=2 τ_к=к•Δτ=2,14·10⁴ с. Предположим, получили Р_к=19,6·10⁵ Па, Т_к=306 К. Откуда G_к≅6,6·10^-8 кг/с < G_зад.

Таким образом, имеем неоднократное (как правило не более 2-3 раз) подтверждение соотношения G_к<G_зад, поэтому можно считать проверяемый замкнутый объем 2 удовлетворяющим условиям по герметичности.

Нужно отметить, что значение временного шага Δτ сравнимого или большего отношения начальной массы газа (М_н) в замкнутом объеме 2 к G_зад говорит о недопустимо большой погрешности измерения контролируемых параметров при использовании данной датчиковой аппаратуры.

Можно считать датчиковую аппаратуру приемлемой по величине погрешности измерения контролируемых параметров, если удовлетворяется соотношение Δτ≪M_н/G_зад. В нашем случае, определив из (5) М_н=Р_н•V/(В•Т_н)=2·10⁶•10^-2/(2077•300)=3,2·10^-2 кг, видно, что Δτ=1,07·10⁴ с намного меньше М_н/G_зад=3,2·10^-2/10^-7=3,2·10⁵ с.

Приведем расчетный случай, когда неверный выбор временного шага Δτ может привести к искажению результатов проверки герметичности замкнутого объема. Будем сравнивать истинные значения массовой утечки газа (G_к) с определяемыми по косвенным измерениям утечками (G_к), являющимися в общем случае приближенными значениями G_к. Примем предельные абсолютные погрешности измерения давления ΔР=2·10⁴ Па и температуры ΔТ=2 К, а G_зад=10^-7 кг/с. Предположим определили начальное давление Р_н=2·10⁶ Па и Т_н=300 К, примем их за истинные значения переменных Р_н и Т_н в начале режима проверки герметичности и будем анализировать утечку газа из замкнутого объема только по изменению параметров в конце τ_к. Выберем временной шаг, например, Δτ=900 с, заведомо меньший полученного по выражению (3). Результаты расчетов, выполненные с использованием выражения (1), сведены в таблицу на фиг.2. В таблице на фиг.2 приведено сравнение утечки истинной с определяемой по показаниям датчиков. Здесь Р_к, Т_к, G_к - истинные значения соответственно давления, температуры и утечки газа в конце установленного промежутка времени τ_к; Р_к, Т_к - значения переменных, полученные по показаниям датчиков для определения G_к.

Как видно из фиг.2, игнорирование условия (3) привело к искажению результатов проверки герметичности. По показанию датчиков, как видно из фиг.2, неоднократно подтверждается герметичность контролируемого замкнутого объема G_к<G_зад, но истинная утечка G_к>G_зад, т.е. замкнутый объем не герметичен.

Таким образом, предлагаемый способ проверки герметичности замкнутых объемов позволяет:

1) применить его в условиях существенного изменения температуры газа в контролируемом замкнутом объеме и тем самым повысить точность определения величины утечки;

2) автоматизировать процесс проверки герметичности замкнутых объемов с помощью системы управления, используя аналоговую информацию, поступающую с соответствующих датчиков давления и температуры;

3) избежать ошибки в определении герметичности контролируемого замкнутого объема при задании временного шага Δτ, удовлетворяющего предлагаемому соотношению;

4) использовать при проверке герметичности простое соотношение для задания временного шага;

5) дать рекомендации по выбору датчиковой аппаратуры с точки зрения допустимых погрешностей измерения контролируемых параметров.

Литература

1. Полухин Д.А., Миркин Н.Н., Орещенко В.М., Усов Г.Л. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями. М.: Машиностроение, 1978, 240 с.

2. Патент Великобритании №1376236, кл. G 01 S 3/02, 1974.

3. Б.М.Яворский и А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Наука, 1971, 940 с.

4. Г.Д.Смирнов. Управление космическими аппаратами. М.: Наука, 1978, 192 с.

5. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Издание тринадцатое, исправленное. М.: Наука, 1986, 544 с.

Способ проверки герметичности замкнутых объемов, включающий создание в проверяемом замкнутом объеме V заданного давления газа, замер давления в начале Р_н и в конце Р_к установленного промежутка времени τ_к, отличающийся тем, что одновременно с определением начального давления Р_н измеряют начальную температуру Т_н газа в замкнутом объеме, измеряют в конце установленного промежутка времени τ_к одновременно с определением давления газа Р_к температуру Т_к, затем определяют суммарную массовую утечку газа G_к и в случае выполнения соотношения G_к<G_зад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом G_к и τ_к удовлетворяют соотношениям

G_к=V/В·(P_н/Т_н-Р_к/Т_к)/τ_к,

τ_к=к·Δτ для к=1, 2,...,

где временной шаг Δτ=2V·(ΔP·|Т_н|+ΔT·|Р_н|)/(B·G_зад·Т_н ²),

G_зад - заданная степень герметичности замкнутого объема V;

В - удельная газовая постоянная;

ΔР, ΔT - предельные абсолютные погрешности определения давления и температуры соответственно.