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 Рн и в конце Pк установленного промежутка времени τк, отличающимся тем, что одновременно с определением начального давления Рн измеряют начальную температуру Тн газа в замкнутом объеме, измеряют в конце установленного промежутка времени τк одновременно с измерением давления газа Рк температуру Тк; затем определяют суммарную массовую утечку газа Gк и в случае выполнения соотношения Gк<Gзад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом Gк и τк удовлетворяют соотношениям:
где временной шаг 
Gзад - 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: τк, Δτ [с]; V [м3]; Pн, Рк, ΔР [Па]; Тн, Тк, ΔТ [К]; В [Дж/(кг·К)]; Gк, Gзад [кг/с].
Задание временного шага Δτ, удовлетворяющего соотношению (3), объясняется тем, что выбор установленного промежутка времени τк<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 Рн и начальную температуру Тн 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 Gзад, 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 τк, удовлетворяющего соотношению (2), по показаниям датчиков давления 7 и температуры 8 и передаваемых системе управления 10 определяется одновременно давление Рк и температура Тк, определяется суммарная утечка газа Gк по соотношению (1). В случае выполнения соотношения Gк<Gзад 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 τк. Частота опроса f контролируемых параметров известна, она зависит от свойств системы управления 10 и, очевидно, в этом случае должна удовлетворять соотношению 1/f≪Δτ≤τк [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 τк по выражению
где переменные Рн, Тн и Рк, Тк - соответственно давление, температура в начале и в конце установленного промежутка времени τк. Подставив измеряемые значения переменных Рн, Тн, Рк, Тк, соответственно обозначенных курсивом как Рн, Тн, Рк, Тк, в (6), получаем соотношение (1) для определения массовой утечки Gк (Gк, вычисленная по результатам измерений, отмечена курсивом).
За чувствительность контроля герметичности предлагаемым способом принимаем погрешность определения Gк как функции переменных Рн, Тн, Рк, Тк на временном интервале Δτ, для которого показания датчиков давления и температуры находятся в пределах погрешности измерения этими датчиками, т.е. принимаем Рк=Рн, Тк=Тн.
В соответствии с теорией погрешностей [5, с.132], считая известными предельные абсолютные погрешности для значений переменных Рн, Тн, Рк, Тк, малых по сравнению с соответствующими переменными и соответственно равных ΔРн, ΔТн, ΔРк, ΔТк, определим предельную абсолютную погрешность ΔG, удовлетворяющую соотношению |Gк-Gк|≤ΔG. ΔG равна сумме произведений модулей частных производных функции Gк (6) по переменным Рн, Тн, Рк, Тк 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 Рн, Рк и Тн, Тк 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=Gзад, 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 Рн=2·106 Па, Тн=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 Gзад=10-7 кг/с. После чего по выражению (3) определяем временной шаг 
Через временной шаг Δτ в конце установленного промежутка времени τк=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 τк=Δτ=1,07·104 с следующие значения переменных: Рк=19,8·105 Па, Тк=303 К. Определяем суммарную утечку газа Gк для установленного промежутка времени τк, воспользовавшись выражением (1). Откуда получаем для Gк=V/В•(Pн/Тн-Рк/Тк)/τк=10-2/2077•(2·106/300-19,8·105/303)/1,07·104≅7,3·10-8 кг/с. Откуда получаем Gк<Gзад.
Поскольку соотношение (3) получено при вышеуказанных предположениях, убедимся в верности полученного результата, аналогично повторив для к=2 τк=к•Δτ=2,14·104 с. Предположим, получили Рк=19,6·105 Па, Тк=306 К. Откуда Gк≅6,6·10-8 кг/с < Gзад.
Таким образом, имеем неоднократное (как правило не более 2-3 раз) подтверждение соотношения Gк<Gзад, 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 (Мн) в замкнутом объеме 2 к Gзад 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≪Mн/Gзад. В нашем случае, определив из (5) Мн=Рн•V/(В•Тн)=2·106•10-2/(2077•300)=3,2·10-2 кг, видно, что Δτ=1,07·104 с намного меньше Мн/Gзад=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 (Gк) с определяемыми по косвенным измерениям утечками (Gк), являющимися в общем случае приближенными значениями Gк. Примем предельные абсолютные погрешности измерения давления ΔР=2·104 Па и температуры ΔТ=2 К, а Gзад=10-7 кг/с. Предположим определили начальное давление Рн=2·106 Па и Тн=300 К, примем их за истинные значения переменных Рн и Тн в начале режима проверки герметичности и будем анализировать утечку газа из замкнутого объема только по изменению параметров в конце τк. 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 Рк, Тк, Gк - истинные значения соответственно давления, температуры и утечки газа в конце установленного промежутка времени τк; Рк, Тк - значения переменных, полученные по показаниям датчиков для определения Gк.
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 Gк<Gзад, но истинная утечка Gк>Gзад, 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.
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 Рн и в конце Рк установленного промежутка времени τк. При этом одновременно с определением начального давления Рн измеряют начальную температуру Тн газа. Измеряют в конце установленного промежутка времени τк одновременно с определением давления газа Рк температуру Тк. Определяют суммарную массовую утечку газа Gк и в случае выполнения соотношения Gк<Gзад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом Gк и τк должны удовлетворять соотношениям, приведенным в формуле изобретения. 2 ил.
Способ проверки герметичности замкнутых объемов, включающий создание в проверяемом замкнутом объеме V заданного давления газа, замер давления в начале Рн и в конце Рк установленного промежутка времени τк, отличающийся тем, что одновременно с определением начального давления Рн измеряют начальную температуру Тн газа в замкнутом объеме, измеряют в конце установленного промежутка времени τк одновременно с определением давления газа Рк температуру Тк, затем определяют суммарную массовую утечку газа Gк и в случае выполнения соотношения Gк<Gзад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом Gк и τк удовлетворяют соотношениям
Gк=V/В·(Pн/Тн-Рк/Тк)/τк,
τк=к·Δτ для к=1, 2,...,
где временной шаг Δτ=2V·(ΔP·|Тн|+ΔT·|Рн|)/(B·Gзад·Тн 2),
Gзад - заданная степень герметичности замкнутого объема V;
В - удельная газовая постоянная;
ΔР, ΔT - предельные абсолютные погрешности определения давления и температуры соответственно.
| Усилитель | 1986 |
|
SU1376236A1 |
