Течеискатель на принципе теплопроводности

 

Изобретение относится к контролю мест негерметичности оборудования и позволяет повысить чувствительность при проверке герметичности в форвакуумном режиме. Течеискатель содержит датчик 1, выполненный в виде двух последовательно соединенных через регулятор 2 скорости перемешивания газов вакуумных объемов 3. Вдоль этих объемов 3 расположены плоские термосопротивления 4, включенные в мост 5 Уитстона переменного тока. Попавший в отверстие течи пробный газ поступает в датчик 1 течеискателя, при этом возникает импульсное изменение теплообмена нагретых термосопротивлений 4 с их стенками и происходит импульсный разбаланс измерительного моста 5. Положение регулятора 2 скорости перемешивания газов определяет чувствительность течеискателя. Изменение сопротивления моста 5 регистрируется показывающим прибором. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, служит для отыскания мест негерметичностей оборудования путем его обдувания аргоном, водородом, гелием и может найти преимущественное применение при контроле вакуумной плотности герметизируемых систем. Известен течеискатель, который содержит вакуумную коммуникацию и насос для откачки испытываемой системы, прокачиваемую байпасную коммуникацию, которая содержит трубопровод с помещенным в нем, на разных его концах, включенных в мост Уитстона двумя идентичными проволочными термосопротивлениями, из которых расположенное в направлении откачки вторым помещено после установленной к нему с зазором мелкопористой мембраны, служащей для локального обогащения газа тяжелой компонентой, подсоединенный к мосту источник постоянного тока в виде батареи, включенный в измерительную диагональ моста гальванометр, включенное в мост переменное сопротивление, служащее для его балансировки. Во время поиска течи, откачка по основной коммуникации прекращается и идет только по байпасной. В качестве пробного газа используется гелий. Существенным недостатком этого течеискателя является его невысокая чувствительность, связанная с работой мостовой схемы на постоянном токе, и использование измерительного устройства в виде гальванометра. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является течеискатель на принципе теплопроводности, содержащий датчик, выполненный в виде вакуумной камеры с размещенными в ней идентичными термосопротивлениями, включенными в мост Уитстона переменного тока, источник переменного тока и переменное сопротивление, соединенных с мостом, последовательно подключенных к измерительной диагонали моста усилителя, фазового детектора и показывающего прибора. Применение такого течеискателя для поиска малых течей осложняется его недостаточной чувствительностью, в особенности при низком форвакуумном давлении, так как термосопротивления имеют существенную тепловую инерционность и расположены вне основного газового потока. Целью изобретения является повышение чувствительности течеискателя при проверке герметичности в форвакуумном диапазоне давлений. Поставленная цель достигается тем, что течеискатель на принципе теплопроводности, содержащий датчик, выполненный в виде вакуумной камеры с размещенными в ней идентичными термосопротивлениями, включенными в мост Уитстона переменного тока, источник переменного тока и переменное сопротивление, соединенных с мостом, последовательно подключенных к измерительной диагонали моста усилителя, детектора и показывающего прибора, причем он снабжен регулятором скорости перемещения газов, вакуумная камера выполнена в виде двух последовательно соединенных через регулятор скорости перемешивания газов вакуумных объемов, а термосопротивления расположены вдоль их осей. При этом термосопротивления выполнены плоскими и изготовлены в виде металлической платиновой ленты, источник переменного тока выполнен в виде генератора со стабилизацией амплитуды, а усилитель выполнен в виде избирательного усилителя, настроенного на частоту питания моста. На чертеже изображена принципиальная схема течеискателя на принципе теплопроводности, который содержит датчик 1, выполненный в виде вакуумной камеры, состоящей из двух последовательно соединенных через регулятор скорости перемешивания газов 2 вакуумных объемов 3. Вдоль осей вакуумных объемов 3 расположены идентичные плоские термосопротивления 4, включенные в мост Уитстона переменного тока 5. Мост Уитстона 5 содержит переменное сопротивление 6, служащее для его балансировки, и источник переменного тока 7. К измерительной диагонали моста последовательно подключены избирательный усилитель 8, синхродетектор 9, управляемый источником переменного тока 7, и показывающий прибор 10. Применение плоских термосопротивлений с большой поверхностью позволяет увеличить чувствительность течеискателя за счет нейтрализации отрицательного влияния температурного скачка, связанного с сильным ухудшением теплообмена нагретых термосопротивлений со стенками вакуумных объемов через газ, находящийся при низком форвакуумном давлении. Чем больше их поверхность, тем больше молекул газа отбирает в результате соударений тепло от термосопротивлений, тем самым уменьшается инерционность и увеличивается чувствительность плеч моста Уитстона. Расположение термосопротивлений вдоль осей вакуумных объемов улучшает тепловую симметризацию плеч измерительного моста, уменьшает его мешающий разбаланс. Такое коаксиальное расположение позволяет плоским термосопротивлениям находиться непосредственно в потоке откачиваемого газа, без возникновения паразитных вибраций, приводящих к ухудшению стабильности. Выполнение камеры датчика течеискателя в виде двух вакуумных объемов позволяет иметь кроме рабочего вакуумного объема еще и сравнительный служащий для улучшения стабильности, а их последовательное соединение относительно направления откачки дает возможность включить между ними регулятор скорости перемешивания газов и позволяет пробному газу поступать к термосопротивлениям строго поочередно, сначала к рабочему, затем с некоторой задержкой к сравнительному. Применение двух вакуумных объемов также дает возможность течеискателю реагировать только на изменение концентрации пробного газа, при наличии его фона, т.к. после его перемешивания между объемами изменение теплопроводности в них будет одинаковым и поэтому для мостовой схемы прибора это будет синфазной (подавляемой) помехой. Регулятор скорости перемешивания газа служит для создания определенного гидравлического сопротивления пробному газу, при котором время перемешивания между вакуумными объемами примерно равно времени одноразового обдувания места течи, составляющим 1-3 с. Если время перемешивания газа между вакуумными объемами будет существенно меньше времени одноразового обдувания, т.е. без регулятора, то пробный газ будет как бы "проскакивать" через рабочий объем в сравнительный, попадая в них практически одновременно, и вследствие этого резко снизится чувствительность течеискателя из-за компенсации импульса течи мостовой схемой датчика (синфазная помеха). Если же время перемешивания будет гораздо больше времени обдувания, при большом гидравлическом сопротивлении, то резко возрастают нестабильности из-за большой тепловой асимметрии плеч измерительного моста, и, как следствие этого, появляется большой мешающий разбаланс (дрейф нуля) мостовой схемы. Т. о. с помощью регулятора скорости перемешивания газов можно подобрать режим перемешивания, при котором течеискатель работает в оптимальном режиме, имеет максимальную чувствительность при минимальной нестабильности. Регулятор может быть также выполнен в виде расходной шайбы или пакета мелкоячеистой сетки, но в этом случае будучи однажды подобранным для конкретного датчика, пробного газа и определенного диапазона рабочего давления, он в процессе эксплуатации в других условиях не может быть оптимизирован. В прокачном режиме применение такого регулятора уменьшает нестабильность газового потока, проходящего через вакуумные объемы за счет сглаживающего эффекта гидравлического сопротивления. Регулятор имеет нанесенные метки (риски), каждая из которых соответствует определенному диаметру проходного отверстия, которое в свою очередь определяет величину гидравлического сопротивления пробному газу и соответственно однозначно определяет время перемешивания между вакуумными объемами. При настройке течеискателя время перемешивания контролируется показывающим прибором. Конструктивно течеискатель выполнен в виде датчика, подсоединяемого к вакуумной системе и подключенного к нему электрическим кабелем требуемой длины измерительного блока. Датчик выполнен в виде двух латунных, уплотненных тефлоном вакуумных объемов цилиндрической формы, внутренним диаметром ≈ 22 мм, длиной ≈170 мм, помещенных в общий кожух. Вакуумные объемы через регулятор скорости перемешивания газов соединены трубками из отожженной меди диаметром ≈ 6 мм. Управление регулятора выведено на верхнюю панель кожуха. К проверяемой системе датчик подсоединяется через два штуцера. Такая конструкция вакуумной части датчика позволяет осуществлять процесс течеискания как в режиме диффузии, так и в режиме прокачки, при этом вакуумная схема датчика является байпасной по отношению к откачиваемой магистрали. Термосопротивления изготовлены из коррозионностойкого материала и выполнены в виде металлических платиновых лент длиной ≈ 120 мм, шириной ≈ 0,3 мм и толщиной ≈ 4-5 мкм, натянутых коаксиально, т.е. по осям вакуумных объемов. Их омическое сопротивление в холодном состоянии составляет ≈ 12-13 Ом и подобрано с точностью ± 0,1 Ом. В рабочем режиме подогреваемые током источника переменного тока термосопротивления имеют температуру ≈100-100^оС. Тепловая симметризация вакуумных объемов датчика обеспечивается как точностью подбора омического сопротивления платиновых лент, их коаксиальным расположением, геометрическими размерами, так и идентичностью вакуумных объемов, их диаметром, длиной, толщиной стенок, материалом и т.д. а также их помещением в общий теплоизолирующий кожух. Так как стабильность питания измерительного моста в значительной мере определяет пороговую чувствительность течеискателя, то источник переменного тока, подогревающий термосопротивления, выполнен в виде генератора со стабилизацией амплитуды выходного напряжения. Стабильность амплитуды ≈ 0,1% обеспечивается введением в генератор петли отрицательной обратной связи и регулирующего элемента на полевом транзисторе. С целью уменьшения влияния наводок и помех усилитель выполнен в виде избирательного усилителя, настроенного на частоту питания измерительного моста, является высокодобротным (Q ≥ 100) активным RC-фильтром. Его динамический диапазон составляет ≈ 80 дБ, резонансная частота определяется частотой источника переменного тока и составляет ≈ 1000 Гц. Выделение полезного импульсного сигнала осуществляется синхродетектором, выполненным на полупроводниковых ключах, управляемых источником переменного тока. Показывающий прибор выполнен в виде стрелочного микроамперметра, но может быть заменен самописцем типа КСП-4. Течеискатель работает следующим образом. Попавший в отверстие течи пробный газ, распространяясь по вакуумной системе за счет диффузии или прокачки, поступает в датчик 1 течеискателя. За счет неравновесного процесса, возникающего в результате поочередного (последовательного) прохождения пробного газа через вакуумные объемы 3, возникает скачкообразное, импульсное изменение теплообмена нагретых термосопротивлений 4 с их стенками, в результате чего появляется скачкообразный, импульсный разбаланс измерительного моста переменного тока 5. При этом регулятор скорости перемешивания газов 2 определяет чувствительность течеискателя, зависящую от сорта пробного газа (аргон, водород, гелий) и давления, при котором идет процесс течеискания. Последующее выравнивание концентраций пробного газа между вакуумными объемами приводит к восстановлению баланса измерительного моста 5. Импульсный разбаланс моста в виде переменного напряжения, являющийся несущей частотой, усиливается избирательным усилителем 8 и детектируется синхронным детектором 9. Выделенный детектором сигнал наличия течи, в виде одиночного импульса, фиксируется показывающим прибором 10, при этом амплитуда сигнала пропорциональна величине обнаруженной течи. Медленный разбаланс моста 5, связанный с имеющейся тепловой асимметрией вакуумных объемов, компенсируется с помощью переменного сопротивления 6. Испытания течеискателя показали, что его пороговая чувствительность приближается по порядку величины к чувствительности гелиевых масс-спектрометрических течеискателей типа ПТИ-7,10 и составляет ≈0,01 м Тор воздуха в час течь, измеренная по скорости натекания воздуха в систему, что примерно соответствует 10^-5 10^-6% чувствительности к изменению концентрации пробного газа. Такой чувствительный и коррозионностойкий течеискатель может найти самое широкое применение при поиске мест негерметичностей, в особенности в оборудовании, работающем в агрессивных средах, где использование других типов течеискателей затруднено или невозможно.

Формула изобретения

1. ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ НА ПРИНЦИПЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, содержащий датчик, выполненный в виде вакуумной камеры с размещенными в ней идентичными термосопротивлениями, включенными в мост Уитстона переменного тока, источник переменного тока и переменного сопротивления соединенных с мостом, последовательно подключенных к измерительной диагонали моста усилителя, детектора и показывающего прибора, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности при проверке герметичности в форвакуумном диапазоне, он снабжен регулятором скорости перемешивания газов, вакуумная камера выполнена в виде двух последовательно соединенных через регулятор скорости перемешивания газов вакуумных объемов, а термосопротивления выполнены плоскими и расположены вдоль оси вакуумных объемов. 2. Течеискатель по п.1, отличающийся тем, что плоские термосопротивления выполнены в виде металлической платиновой ленты. 3. Течеискатель по п.1, отличающийся тем, что источник переменного тока выполнен в виде генератора со стабилизацией амплитуды. 4. Течеискатель по п.1, отличающийся тем, что усилитель выполнен в виде избирательного усилителя, настроенного на частоту питания моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1