Способ определения локальной и интегральной негерметичности изделий и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано в областях техники, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий. Изобретение направлено на обеспечение удобного, точного и при этом дешевого определения локальной и интегральной негерметичности изделий с минимизированными погрешностями измерения. Этот результат обеспечивается за счет того, что предварительно производят статическую и/или динамическую, и/или пульсирующую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам. В качестве контрольного газа используют газовую смесь с добавками водорода. В случае определения локальной негерметичности датчик течеискателя последовательно перемещают по поверхности изделия, а в случае определения интегральной негерметичности, изделие помещают в замкнутый объем, а датчик течеискателя подсоединяют к клапану замкнутого объема. В течеискатель введены индикатор разряда аккумулятора и устройство компенсации нелинейной характеристики датчика, установленное между делителем напряжения и компаратором и представляющее собой последовательно включенные нелинейный усилитель и светодиодный измеритель, выполненный из цепочки последовательно соединенных резисторов и цепочки последовательно соединенных диодов, между каждым резистором и соответствующим диодом размещен светодиод. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к испытаниям изделий на герметичность, и может найти применение в таких областях техники, как газовая, атомная, авиационная, машиностроение, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий (трубопроводов, замкнутых оболочек).

Известен способ испытания изделия на герметичность (патент РФ №1785337, опубл. 09.02.1995), согласно которому изделие устанавливают в камеру, которую ваккуумируют до давления в диапазоне 13,3-0,133 Па насосами дополнительной и избирательной откачки. Подают в камеру поток технологического газа для повышения давления в полости камеры до величины, на 10-20% превышающей нижний предел давления, соответствующего максимальной скорости откачки дополнительного насоса. Подают в камеру эталонный поток гелия, предварительно регулируют дополнительную откачку до достижения времени стабилизации парциального давления гелия в вакуумной камере после подачи в нее эталонного потока в пределах 10-20 мин. Заправляют изделие контрольным газом до испытательного давления и по соотношению регистрируемых сигналов оценивают утечку из изделия. Напуск технологического газа позволяет расширить диапазон регулирования дополнительной откачки, а также увеличить скорость изменения регистрируемых течеискателем сигналов вследствие того, что насос дополнительной откачки начинает работать в режиме максимальной откачки.

Недостатком способа является использование в качестве контрольного газа дорогостоящего и не всегда доступного гелия.

Известен способ контроля герметичности изделий (патент РФ №2213944, G01M 3/00), который состоит в том, что изделие помещают в замкнутый объем, подключают течеискатель к замкнутому объему, заправляют изделие контрольным газом и в течение заданного времени измеряют изменения показаний течеискателя, соответствующие изменениям концентрации контрольного газа в замкнутом объеме от негерметичности изделия, при этом после подключения течеискателя к замкнутому объему подают в объем тарированную дозу контрольного газа, соответствующую минимальному значению приращения концентрации, регистрируемому данным течеискателем, измеряют изменение показаний течеискателя, соответствующее изменению концентрации контрольного газа в замкнутом объеме в результате введения тарированной дозы, а также фиксируют интервал времени достижения стабилизированного изменения концентрации контрольного газа в замкнутом объеме после введения тарированной дозы, после заправки изделия контрольным газом измерение изменений показаний течеискателя, соответствующих изменениям концентрации контрольного газа в замкнутом объеме от негерметичности изделия, начинают по истечении зафиксированного ранее интервала времени, а величину негерметичности изделия оценивают по соотношению изменений показаний течеискателя в результате введения в замкнутый объем тарированной дозы и заправки изделия контрольным газом.

Недостатком способа является то, что величину негерметичности изделия оценивают по соотношению изменений показаний течеискателя в результате введения в замкнутый объем тарированной дозы и заправки изделия контрольным газом по определенной формуле, что усложняет способ, делает его менее производительным.

Известен газоанализатор (патент РФ №2035038, G01N 21/61, опубл. 10.05.1995), в который для повышения линейности статической характеристики введено звено обратной связи с выхода усилителя на выход RC-цепи, выходное напряжение усилителя, являющееся мерой концентрации, отображается индикаторным устройством, при этом аналоговые запоминающие устройства выполнены в виде синхронных детекторов, а звено обратной связи образовано резистором. Данная схема позволяет решить задачу повышения линейности статической характеристики газоанализатора, но при этом схема достаточно сложна и, кроме того, она имеет индикаторное устройство, которое может лишь фиксировать изменение концентрации газа.

Известен сигнализатор («Figaro: датчики газов», М., издательский дом «Додэка-ХХI», 2003, стр.18), содержащий последовательно соединенные датчик и нагрузку, компаратор, сигнализатор. Когда выходное напряжение превышает заданную величину, сигнал компаратора обеспечивает включение внешней звуковой или световой сигнализации.

Недостатком данного устройства является отсутствие компенсации нелинейности характеристики датчика, что приводит к искажению достоверности информации. Кроме того, устройство лишь сигнализирует о наличии превышения предельно допустимой концентрации контролируемого газа, но не дает информацию о величине изменения концентрации.

Задача изобретения состоит в создании удобного, точного и при этом дешевого способа определения локальной и интегральной негерметичности изделий и устройства для его осуществления с минимизированными погрешностями измерения.

Задача решается способом определения локальной и интегральной негерметичности изделий, согласно которому изделие заправляют контрольным газом, и течение заданного времени фиксируют изменения показаний течеискателя, соответствующие изменениям концентрации контрольного газа в изделии в зависимости от его негерметичности, отличающимся тем, что сначала производят статическую и/или динамическую, и/или пульсирующую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам, в качестве контрольного газа используют газовую смесь с добавками водорода, при этом в случае определения локальной негерметичности датчик течеискателя последовательно перемещают по поверхности изделия, а в случае определения интегральной негерметичности, изделие помещают в замкнутый объем, а датчик течеискателя подсоединяют к клапану замкнутого объема. Статическую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам осуществляют посредством калибровочных ампул, каждая из которых снабжена мембраной, селективной к водороду, и наполнена порошком гидрида металла, насыщенным водородом различной концентрации, при этом калибровку осуществляют путем определения величины потока водорода из каждой ампулы, соответствующему рабочему диапазону течеискателя. Динамическую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам осуществляют посредством калибровочных ампул, каждая из которых снабжена мембраной, селективной к водороду, наполнена порошком гидрида металла, насыщенным водородом различной концентрации и снабжена микродозатором течи, обеспечивающим регулировку потока по заданным параметрам, при этом калибровку осуществляют путем определения величины потока водорода из каждой ампулы, соответствующему рабочему диапазону течеискателя. Пульсирующую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам осуществляют посредством калибровочных ампул, каждая из которых снабжена мембраной, селективной к водороду, наполнена порошком гидрида металла, насыщенным водородом различной концентрации и снабжена пьезоклапаном, обеспечивающим регулировку потока в пульсирующем режиме с заданной частотой и амплитудой, при этом калибровку осуществляют путем определения величины потока водорода из каждой ампулы, соответствующему рабочему диапазону течеискателя. Количество ампул соответствует количеству рабочих диапазонов течеискателя. Газовую смесь и водород закачивают в изделие принудительно. Водород получают в процессе электролиза, и закачка в изделие осуществляется электролизером-компрессором. В качестве основы для газовой смеси используют воздух.

Течеискатель содержит блок питания, корпус, последовательно соединенные датчик и нагрузку, образующие делитель напряжения, компаратор, звуковой сигнализатор. В течеискатель введены индикатор разряда аккумулятора и устройство компенсации нелинейной характеристики датчика, установленное между делителем напряжения и компаратором и представляющее собой последовательно включенные нелинейный усилитель и светодиодный измеритель, выполненный из цепочки последовательно соединенных резисторов и цепочки последовательно соединенных диодов, между каждым резистором и соответствующим диодом размещен светодиод. Датчик вынесен за пределы корпуса. В случае определения локальной негерметичности изделия, имеющего круглое сечение, например трубопровода, датчик выполнен торообразным. В случае определения локальной негерметичности изделия он имеет возможность автоматического перемещения вдоль него. Датчик может быть снабжен телескопической рукоятью. Датчик может быть снабжен системой термостатирования. Течеискатель снабжен устройством проверки его работоспособности. Устройство проверки его работоспособности может быть выносным, подключаемым вместо датчика, или встроенным. Течеискатель может быть снабжен системой сигнализации обрыва провода питания. Течеискатель может быть снабжен системой сигнализации повреждения нагревателя датчика. Блок питания имеет возможность питания от сетевого блока питания или от аккумулятора, при этом имеется световая сигнализация разряда аккумулятора. Имеется возможность заряда аккумулятора, не вынимая его из корпуса.

Использование водорода в качестве контрольного газа значительно удешевляет способ, т.к. он дешевле гелия, который, в основном, используется в известных разработках. Кроме того, водород более текуч, поэтому принудительная накачка его в изделие не обязательна, что исключает из системы нагнетательное устройство. Следующее преимущество использования водорода состоит в том, что его можно получить в полевых условиях на месте определения негерметичности электролизом, что актуально, например, в газовой промышленности для определения негерметичности газопровода. Задача повышения точности определения негерметичности изделия в количественном выражении решена за счет предложенной схемы течеискателя и возможности его калибровки непосредственно перед измерением.

На фиг.1 представлена блок-схема течеискателя, фиг.2 - электрическая принципиальная схема течеискателя, фиг.3 - схема устройства компенсации нелинейной характеристики датчика, фиг.4 - схема светодиодного измерителя, фиг.5 - зависимость выходного напряжения делителя от концентрации водорода, фиг.6 - амплитудная характеристика светодиодного измерителя, фиг.7 - вольтамперная характеристика светодиодного измерителя, фиг.8 - зависимость выходного напряжения от отношения сопротивлений датчика и нагрузки, фиг.9 - вариант исполнения течеискателя.

Течеискатель содержит последовательно соединенные датчик 1 и нагрузку 2, образующие делитель напряжения, преобразователь напряжения 3, компаратор 4, звуковой сигнализатор 5, индикатор разряда аккумулятора 6 и устройство компенсации нелинейной характеристики 7 датчика 1, установленное между делителем напряжения 3 и компаратором 4 и представляющее собой последовательно включенные нелинейный усилитель 8 и светодиодный измеритель 9, выполненный из цепочки последовательно соединенных резисторов 10 и цепочки последовательно соединенных диодов 11, между каждым резистором и соответствующим диодом размещен светодиод 12.

Прежде чем начать работу осуществляют калибровку каждого диапазона течеискателя. Для этого используется набор ампул (не показан), количество которых соответствует количеству рабочих диапазонов течеискателя. Каждая ампула снабжена мембраной, селективной к водороду, и наполнена порошком гидрида металла, насыщенным водородом различной концентрацией, при этом калибровку осуществляют путем определения величины потока водорода из каждой ампулы, соответствующему рабочему диапазону течеискателя.

Если есть необходимость получения водорода, то его получают электролизом.

В зависимости от объекта исследования негерметичность проверяют следующим образом: в случае определения локальной негерметичности, например трубопровода, датчик течеискателя последовательно перемещают по поверхности изделия, а в случае определения интегральной негерметичности, например космических аппаратов, изделие помещают в замкнутый объем (камеру), а датчик течеискателя подсоединяют непосредственно к клапану замкнутого объема. В обоих случаях изделия наполняют газовой смесью, например воздухом, с примесью водорода. Концентрация водорода может варьироваться.

Ниже приведен пример принципа действия прибора, основанного на зависимости омического сопротивления датчика 1 от концентрации С водорода. Напряжение питания, например, U_пит+12 В. Полезный сигнал снимается с делителя напряжения R_S/R_L, где R_S - сопротивление датчика 1, R_L - сопротивление нагрузки 2 и поступает на вход нелинейного усилителя 8. Зависимость выходного напряжения делителя от концентрации водорода была построена графически (фиг.5). Из графика видно, что зависимость U_RL(C) имеет вид логарифмической кривой (в первом приближении):

где К - постоянный коэффициент.

В качестве индикатора выходного напряжения был выбран светодиодный измеритель 9 (СИ). Амплитудная характеристика СИ 9 близка к линейной (фиг.6) (имеется в виду зависимость включения того или иного светодиода в зависимости от уровня входного сигнала). Моменту включения первого светодиода соответствует концентрация 10 ppm и U_вх=2,74 В, второго - 20 ppm и 3,52 В и т.д.

где К₁ - постоянный коэффициент.

С другой стороны, вольтамперная характеристика (ВАХ) СИ имеет вид, близкий к экспоненциальному (фиг.7)

где K₁ - постоянная.

Электрическая схема водородного течеискателя приведена на фиг.1.

где К₂ - коэффициент усиления нелинейного усилителя.

Согласно формулам 1-5, можно записать:

Все приведенные соотношения являются приближенными, и для получения более точной пропорциональности выходного напряжения концентрации водорода применяется нелинейный усилитель 8, компенсирующий эту неточность.

Процесс вхождения датчика 1 в рабочий режим можно проследить визуально по состоянию индикаторов светодиодного измерителя 9. При включении течеискателя загораются все светодиоды 12 измерительной шкалы, далее происходит их плавное погасание, что свидетельствует о постепенном прогреве датчика до рабочей температуры.

Весь диапазон изменения концентрации разбит на четыре поддиапазона, каждому соответствует свое сопротивление нагрузки R_L, выбранное таким образом, что всегда используется только небольшой участок всей кривой зависимости (фиг.8), наиболее близкой к линейной вблизи точки перегиба, что также увеличивает компенсацию нелинейности.

Имеется звуковая сигнализация превышения допустимой концентрации 4 (регулируется в пределах 1-2%) и световая сигнализация разряда аккумулятора питания 5.

Таким образом, светодиодный индикатор одновременно выполняет три функции.

1. Является измерителем концентрации газа - количество светящихся светодиодов пропорционально концентрации.

2. Является компенсатором нелинейности характеристики датчика.

3. Является индикатором готовности датчика к работе.

Разработанная схема течеискателя имеет следующие преимущества:

- схема прибора построена в основном на отечественной элементной базе (кроме светодиодов измерительной схемы), проста в монтаже и ремонте;

- питание прибора может осуществляться от встроенного аккумулятора (время непрерывной работы около 3,5 час), от сетевого блока питания (12 В, 1 А) или от лабораторного источника питания. Прибор работоспособен при напряжении питания от 9 до 18 В;

- в приборе имеется сигнализация разряда аккумуляторной батареи (в момент снижения напряжения АБ до 10,8 В светодиод переходит из постоянного в прерывистый режим свечения);

- процесс вхождения датчика в рабочий режим можно проследить визуально по состоянию индикаторов;

- имеется компенсация нелинейности характеристики датчика.

1. Способ определения локальной и интегральной негерметичности изделий, заключающийся в том, что изделие заправляют контрольным газом и в течение заданного времени фиксируют изменения показаний течеискателя, соответствующие изменениям концентрации контрольного газа в изделии в зависимости от его негерметичности, отличающийся тем, что сначала производят статическую, и/или динамическую, и/или пульсирующую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам, в качестве контрольного газа используют газовую смесь с добавками водорода, при этом в случае определения локальной негерметичности датчик течеискателя последовательно перемещают по поверхности изделия, а в случае определения интегральной негерметичности изделие помещают в замкнутый объем, а датчик течеискателя подсоединяют к клапану замкнутого объема.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что статическую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам осуществляют посредством калибровочных ампул, каждая из которых снабжена мембраной, селективной к водороду, и наполнена порошком гидрида металла, насыщенным водородом различной концентрации, при этом калибровку осуществляют путем определения величины потока водорода из каждой ампулы, соответствующего рабочему диапазону течеискателя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что динамическую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам осуществляют посредством калибровочных ампул, каждая из которых снабжена мембраной, селективной к водороду, наполнена порошком гидрида металла, насыщенным водородом различной концентрации и снабжена микродозатором течи, обеспечивающим регулировку потока по заданным параметрам, при этом калибровку осуществляют путем определения величины потока водорода из каждой ампулы, соответствующего рабочему диапазону течеискателя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пульсирующую калибровку течеискателя по всем рабочим диапазонам осуществляют посредством калибровочных ампул, каждая из которых снабжена мембраной, селективной к водороду, наполнена порошком гидрида металла, насыщенным водородом различной концентрации и снабжена пьезоклапаном, обеспечивающим регулировку потока в пульсирующем режиме с заданной частотой и амплитудой, при этом калибровку осуществляют путем определения величины потока водорода из каждой ампулы, соответствующего рабочему диапазону течеискателя.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что количество ампул соответствует количеству рабочих диапазонов течеискателя.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовую смесь и водород закачивают в изделие принудительно.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что водород получают в процессе электролиза и закачка в изделие осуществляется электролизером-компрессором.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основы для газовой смеси используют воздух.

9. Течеискатель, содержащий блок питания, корпус, последовательно соединенные датчик и нагрузку, образующие делитель напряжения, компаратор, звуковой и световой сигнализатор, отличающийся тем, что введены индикатор разряда аккумулятора и устройство компенсации нелинейной характеристики датчика, установленное между делителем напряжения и компаратором и представляющее собой последовательно включенные нелинейный усилитель и светодиодный измеритель, выполненный из цепочки последовательно соединенных резисторов и цепочки последовательно соединенных диодов, между каждым резистором и соответствующим диодом размещен светодиод.

10. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что датчик вынесен за пределы корпуса.

11. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что в случае определения локальной негерметичности изделия, имеющего круглое сечение, например трубопровода, датчик выполнен торообразным.

12. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что в случае определения локальной негерметичности изделия он имеет возможность автоматического перемещения вдоль него.

13. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что датчик снабжен телескопической рукоятью.

14. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что датчик снабжен системой термостатирования.

15. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что он снабжен устройством проверки его работоспособности.

16. Течеискатель по п.15, отличающийся тем, что устройство проверки его работоспособности может быть выносным, подключаемым вместо датчика, или встроенным.

17. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что он снабжен системой сигнализации обрыва провода питания датчика.

18. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что он снабжен системой сигнализации повреждения нагревателя датчика.

19. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что блок питания имеет возможность питания от сетевого блока питания или от аккумулятора.

20. Течеискатель по п.19, отличающийся тем, что имеется световая сигнализация разряда аккумулятора.

21. Течеискатель по п.19, отличающийся тем, что имеется возможность заряда аккумулятора, не вынимая его из корпуса.

22. Течеискатель по п.9, отличающийся тем, что имеется возможность визуального дистанционного наблюдения за процессом вхождения датчика в рабочий режим (прогрев).