УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НЕЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМОВ Российский патент 2008 года по МПК G01M3/00 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для контроля герметичности незамкнутых полых изделий, например, электронных приборов, в космической технике, а именно при проверке герметичности участков трубопроводов пневмогидравлических систем в условиях существенного изменения температуры, а также к области трубопроводного транспорта и может найти применение для обнаружения места утечки перекачиваемого продукта из трубопроводов в полых кожухах, защитных оболочках и каналах.

Известно устройство проверки герметичности замкнутых объемов, описанное в GB 1376236 [1] и включающее средство для замера давления газа в проверяемом замкнутом объеме. Устройство содержит также средство для наддува в проверяемый объем газа с заданным расходом и средство для измерения расхода газа. 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 известного устройства является необходимость поддержания температуры окружающей среды в период проверки герметичности на постоянном уровне, что не всегда возможно. Кроме того, данным устройством можно контролировать герметичность только замкнутых объемов.

Известно устройство для испытания полых (незамкнутых) изделий на герметичность, которое включает емкость с жидкостью, в которую полностью погружается испытываемое изделие, к которому с помощью фланца присоединен сильфон. Факт негерметичности проверяемого изделия определяется по наличию пузырьков в жидкости, в которую погружено упомянутое изделие (RU 2175118 [2]). Недостатком известного устройства является то, что незамкнутые изделия, подвергаемые проверке, необходимо герметизировать. Кроме того, поскольку испытуемые изделия погружаются в воду, то проверять длинномерные изделия, такие как трубопроводы, данным способом весьма затруднительно.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство для проверки герметичности замкнутых объемов, включающее участок трубопровода, представляющий собой проверяемый замкнутый объем, который ограничен клапаном, запирающим объем, и клапаном наддува. Кроме этого, в состав устройства входят регулятор давления газа наддува, регулятор расхода газа наддува, являющийся частным случаем расходомера, датчики давления и температуры газа и система управления, получающая информацию с датчиков (RU 2273010 [3]). На вход регулятора давления газа наддува подается сжатый газ, имеющий произвольное давление, но заведомо большее уставки регулятора давления газа наддува, который приобретает на выходе стабильное заданное давление. Регулятор расхода газа наддува при наличии на входе газа со стабильным давлением обеспечивает протекание по газовой магистрали газа со стабильным расходом. Система управления получает информацию о положении клапана наддува, а также датчиков давления и температуры газа наддува на участке трубопровода и выдает, по результатам анализа поступившей информации, команды на исполнительные органы управления клапаном наддува. После открытия клапана наддува давление в проверяемом участке трубопровода плавно нарастает благодаря стабильному расходу газа, задаваемому регулятором давления газа наддува и регулятором расхода. Если величина негерметичности проверяемого участка трубопровода превышает расход газа наддува или равна ему, то давление по показаниям датчика давления в проверяемом участке трубопровода не растет, т.е. проверяемый участок трубопровода не герметичен, и системой управления подается команда исполнительным органам клапана наддува на его закрытие, прекращая тем самым дальнейшую утечку газа. Если величина негерметичности проверяемого участка трубопровода меньше расхода газа наддува, то, когда давление в нем достигает заданной величины уставки, регистрируемой датчиком давления, системой управления подается команда исполнительным органам клапана наддува на его закрытие. В результате чего проверяемый участок трубопровода представляет уже замкнутый объем, который подлежит дальнейшему исследованию на герметичность. После закрытия клапана наддува и создания в проверяемом замкнутом объеме заданного давления газа начинается режим проверки герметичности замкнутого объема.

Недостатком известного устройства является то, что с его помощью можно контролировать герметичность только замкнутых объемов. Кроме того, точность определения герметичности не очень высока, и поэтому испытание на герметичность осуществляют в две стадии: сначала в динамике в процессе продувки проверяемого изделия газом, а потом в статике, что повышает трудозатраты при эксплуатации устройства.

Заявляемое в качестве изобретения устройство для проверки герметичности незамкнутых объемов направлено на повышение точности измерений при одновременном снижении трудозатрат на его эксплуатацию.

Указанный результат достигается тем, что устройство для проверки герметичности незамкнутых объемов включает средства изменения параметров газовой смеси перед проверяемым объемом, блок измерения входных параметров газовой смеси в проверяемом объеме и блок измерения выходных параметров газовой смеси, соединенные с блоком обработки получаемой информации и управления, при этом блоки измерения входных и выходных параметров содержат средства измерения давления и температуры смеси газов и концентрации по крайней мере одного из них, а блок измерения выходных параметров дополнительно содержит средство измерения времени изменения концентрации.

Указанный результат достигается также тем, что средство изменения давления газовой смеси выполнено в виде импульсного регулятора давления.

Указанный результат достигается также тем, что средство изменения температуры газовой смеси выполнено в виде детандера.

Указанный результат достигается также тем, что средство изменения давления газовой смеси выполнено в виде компрессора.

Указанный результат достигается также тем, что средство изменения температуры газовой смеси в сторону ее повышения выполнено в виде размещенного в газовом тракте на входе в проверяемый объем элемента сопротивления, соединенного с источником тока.

Указанный результат достигается также тем, что средство изменения температуры газовой смеси в сторону ее понижения выполнено в виде размещенного в газовом тракте на входе в проверяемый объем элемента Пельтье, соединенного с источником тока.

Указанный результат достигается также тем, что средство измерения давления выполнено в виде пьезодатчиков.

Указанный результат достигается также тем, что средство измерения температуры выполнено в виде пироэлектрического датчика.

Указанный результат достигается также тем, что устройство для измерения концентрации выполнено в виде инфракрасного абсорбционного датчика.

Указанный результат достигается также тем, что устройство для измерения времени изменения концентрации выполнено в виде промышленного компьютера, используемого для управления устройством.

Как показали теоретические расчеты и проведенные на их основе натурные эксперименты, если через длинномерный незамкнутый объем, например трубопровод, прокачивать смесь газов и измерять на входе в проверяемый объем и на выходе из него температуру газов и концентрацию хотя бы одного газа из входящих в смесь, то можно вынести суждение о герметичности проверяемого объема. Это основано на следующих положениях.

Если в замкнутом объеме находится смесь газов, то количество молекул каждого газа остается постоянным, и, следовательно, пропорции по массе, в которых газы находятся в смеси, то есть концентрации газов, нельзя изменить, меняя давление или температуру газов в объеме. Это следует из уравнения состояния газа Д.И.Менделеева. Таким образом, если в замкнутом объеме, в котором находится смесь газов, в течение некоторого времени изменится концентрация одного из них, то это значит, что нарушена герметичность объема. Действительно, если объем заполнен одним газом, то:

где

Р, V, Т, М - давление, объем, температура, масса газа в объеме,

R₀ - универсальная газовая постоянная,

μ - масса моля газа.

Для смеси, состоящей из n газов, имеющих температуру Т и находящихся в объеме величиной V, уравнение (1) имеет вид:

Пусть

M₁+M₂+...М_i+...+М_n=М_см,

М_i=С_iМ_см.

Тогда

Ясно, что

Это вытекает из определения концентрации. Уравнение (4) верно как для герметичного объема, так и для негерметичного.

Для герметичного объема (если V=const), то M_i=const и M_об.=const. Изменение Р или Т согласно (2) и (3) не приводит к изменению C_i. В случае, когда происходит утечка из объема, изменяется одна из составляющих (3), что приводит к изменению всех остальных составляющих. В случае, когда происходит натекание в объем, в (3) появляется новая составляющая С_j, что приводит к изменению всех остальных составляющих. Время τ_нат., за которое концентрация одного из компонентов смеси C_i в случае негерметичности объема изменится на существенную величину ΔС_i≥|С|, может характеризовать его негерметичность.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, целесообразно, чтобы устройство для проверки герметичности незамкнутых объемов включало средство изменения параметров газовой смеси и блоки измерения ее параметров на входе в проверяемый объем и на выходе из него. При этом в каждый из указанных блоков измерения должны входить средства измерения давления, температуры смеси газов и концентрации по крайней мере одного из них. В выходной блок должно входить устройство для измерения времени изменения концентрации.

В частных случаях реализации в качестве средства изменения такого параметра газовой смеси, как давление, может быть использован импульсный регулятор давления, выбираемый из числа известных.

В других частных случаях возможно использование компрессора в качестве средства для изменения давления, которое на выходе легко поддается регулировке.

В качестве средства для изменения температуры можно использовать такое устройство, как детандер, как наиболее доступное средство, которое за счет адиабатического расширения газовой смеси или ее сжатия позволяет быстро и существенно изменить температуру газа (или смеси газов, проходящей через тракт).

В других частных случаях, когда использование детандера нецелесообразно в силу его громоздкости, то можно использовать в качестве средства изменения температуры газовой смеси размещенный в газовом тракте на входе в проверяемый объем элемент сопротивления для повышения температуры и/или элемент Пельтье для повышения и/или понижения температуры, соединенных с источником тока.

Для измерения давления газовой смеси на входе в проверяемый объем и на выходе из него могут быть использованы такие средства измерения давления, как механические, электронные, электронно-механические или иные манометры, выбираемые из числа известных. Но наиболее целесообразно, в силу его компактности и возможности обработки результатов, получаемых в качестве электрических сигналов с возможностью их преобразования в цифровой вид, использовать пьезодатчики, позволяющие с высокой точностью фиксировать изменение давления.

В качестве средства для измерения температуры могут быть использованы термопары, термометры сопротивления и т.д. Но наиболее оптимальным, в силу его компактности и возможности обработки результатов, получаемых в качестве электрических сигналов с возможностью их преобразования в цифровой вид, является использование для этих целей пироэлектрических датчиков, позволяющих с высокой точностью фиксировать изменение температуры.

В качестве средства измерения концентрации могут быть использованы химические, электрохимические, тепловые, оптические, хроматографические и иные устройства, выбираемые из числа известных. Но наиболее оптимальным, как показали проведенные эксперименты, является использование средства для определения концентрации одного из газов в смеси в виде инфракрасного абсорбционного датчика.

В качестве средства измерения времени изменения концентрации могут быть использованы механические, электронные часы, выбираемые из числа известных. Но наиболее оптимальным, как показали проведенные эксперименты, является использование в качестве средства для определения времени изменения концентрации промышленного компьютера, используемого для управления устройством.

Сущность заявляемого устройства поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором схематично представлен общий вид устройства.

Пример 1. Устройство для проверки герметичности незамкнутых объемов в самом общем виде включает источник газовой смеси 1, в выходном тракте которого установлены средства 2 и 3 изменения параметров газовой смеси (2 - давления; 3 - температуры) и блоки 4 измерения ее параметров на входе в проверяемый объем 5 и на выходе из него. При этом в каждый из указанных блоков измерения должны входить средства измерения давления 6, температуры 7 смеси газов и концентрации 8 по крайней мере одного из них. Средства 2 и 3 изменения параметров газовой смеси и средства измерения 6, 7, 8 блоков 4 измерения ее параметров на входе в проверяемый объем и на выходе из него соединены с блоком 9 обработки получаемой информации и управления, который также используется для измерения времени изменения концентрации.

Устройство функционирует следующим образом. К испытуемому изделию 5 подсоединяют источник смеси газов 1, например смеси «аргон (95%)-кислород (5%)», создающий необходимое давление для прокачки газа через изделие. В качестве такого источника может быть использован компрессор, баллон со сжатой смесью и т.д. Прокачиваемая смесь выходит из изделия в устройство потребления газа. На входе изделия 5 известным образом устанавливают средство измерения температуры 7, давления 6 и концентрации одного из газов 8. В качестве средства измерения температуры 7 могут быть использованы термопары, термометры сопротивления и т.д. В качестве измерителя давления 6 могут быть использованы механические, электронные, электронно-механические или иные манометры. В качестве средства измерения концентрации 8 могут быть использованы химические, электрохимические, тепловые, оптические, хроматографические и иные устройства, выбираемые из числа известных. На выходе испытуемого изделия также устанавливаются средства измерения температуры 7, давления 6 и концентрации 8, аналогичные установленным на входе. Средства измерения температуры, давления и концентрации соединены с блоком обработки получаемой информации и управления 9, в качестве которого может быть использован промышленный компьютер с соответствующим программным обеспечением.

На вход изделия 5 подают от источника 1 под некоторым давлением смесь газов, измеряют температуру и/или давление и концентрацию одного из газов на входе в изделие и на выходе из него. После того как измеряемые параметры после завершения переходных процессов, связанных с запуском системы, стабилизируются, осуществляют с помощью блока 3 резкое изменение температуры и/или с помощью блока 2 - давления газа на входе и фиксируют время, когда концентрация одного из газов на выходе из системы станет равной концентрации этого газа на входе в систему. Например, если используется смесь «аргон (95%)-кислород (5%)», то таким контрольным газом может быть выбран кислород. Если закачиваемая в изделие смесь поступает в него и выходит из него равномерно, то есть M_об.=const (см. выше), то в случае герметичности изделия резкое изменение температуры и/или давления смеси на входе не приведет к изменению концентрации кислорода в ней на выходе. Полученные в процессе измерений величины

ΔС_{кислород}<<|С|=0,0005 и τ_{С уст.}≈0

являются свидетельством герметичности системы. Если закачиваемая в изделие смесь поступает в него и/или выходит из него неравномерно, то необходимо рассчитать или определить экспериментально время установления на выходе из изделия исходной концентрации кислорода (5%) после резкого изменения температуры и/или давления смеси на входе τ^г _{С уст.}(T_нач. Р_нач; Т_кон., Р_кон). Измеренные в ходе испытаний или τ^нг _{С уст.}(Т_нач.·Р_нач; Т_кон., Р_кон) позволяют судить о герметичности изделия. Процесс проверки герметичности может быть совмещен с другими технологическими процессами изготовления электронного прибора (тренировка, калибровка и т.д.), что позволяет существенно сократить технологический цикл изготовления изделий.

Пример 2. В качестве испытуемого изделия использовался трубопровод, представляющий собой отрезок металлической трубы длиной 2 метра и диаметром 0,01 метра (элемент топливной системы автомобиля, работающего на компримированном природном газе). Труба с помощью герметичного гибкого шланга соединялась с источником газа 1, в качестве которого была использована кассета с топливными баллонами, который обеспечивал постоянное давление на входе. На выходе создавалось переменное давление (при работе двигателя, являющегося потребителем газа). В качестве смеси газов использовался природный газ, содержащий 90% метана (CH₄). Перед входом в трубу в гибком шланге через загерметизированные отверстия был введен блок 4 с п/п датчиком 7 температуры HEL-775 (Honeywell), пьезодатчиком 6 давления Media-mate 5000 (Honeywell) и оптическим датчиком 7 концентраций, в качестве которого использовался BGS-7-01 - инфракрасный абсорбционный датчик, выпускаемый ООО ЦПАТ. Аналогичным образом такие же средства измерения помещались в гибкий шланг, надетый на выходе трубы. В качестве контрольного газа использовался метан. Давление на входе в трубу после завершения переходных процессов составило 200 атмосфер, температура 40°С, концентрация метана 90% (по массе). После этого элементом сопротивления, расположенным на клапане высокого давления, было создано резкое изменение температуры на входе газа в трубу. В течение 20 секунд температура газа с 40°С была повышена до 110°С. После скачка температуры концентрация контрольного газа составила на входе 90% и была достигнута на выходе через 5 секунд при его температуре 50°С. На основании этого был сделан вывод, что изделие полностью герметично. Указанное устройство в данном примере имеет то преимущество, что для контроля герметичности газовых трубопроводов топливной системы применяются те же средства, что и для управления газовой топливной системой.

Пример 3. В качестве испытуемого изделия использовался отрезок металлической трубы длиной 2 метра и диаметром 0,01 метра, (элемент топливной системы автомобиля, работающего на компримированном природном газе). Труба с помощью герметичного гибкого шланга соединялась с источником газа 1, в качестве которого была использована кассета с топливными баллонами, который обеспечивал постоянное давление на входе. На выходе создавалось переменное давление (при работе двигателя). В качестве смеси газов использовался природный газ, содержащий 90% метана. Перед входом в трубу в гибком шланге через загерметизированные отверстия был введен блок 4 с п/п датчиком 7 температуры HEL-775 (Honeywell), пьезодатчиком 6 давления Media-mate 5000 (Honeywell) и оптическим датчиком 7 концентраций, в качестве которого использовался BGS-7-01 - инфракрасный абсорбционный датчик, выпускаемый ООО ЦПАТ. Аналогичным образом такие же средства измерения помещались в гибкий шланг, надетый на выходе трубы. В качестве контрольного газа использовался метан. Давление на входе в трубу после завершения переходных процессов составило 200 атмосфер, температура 40°С, концентрация метана 90% (по массе). После этого с помощью импульсного регулятора давления (системы клапанов высокого давления с электронным управлением) было создано резкое изменение давления на входе газа в трубу (отключено несколько топливных баллонов). В течение 2 секунд давление газа с 200 атм было снижено до 100 атм. После скачка давления концентрация контрольного газа составила на входе 90% и была достигнута на выходе через 3 секунды при его давлении 100 атм. На основании этого был сделан вывод, что изделие герметично.

Пример 4. Способ осуществлялся по общей схеме, описанной в примере 1. В качестве испытуемого изделия использовался отрезок металлической трубы длиной 2 метра и диаметром 0,01 метра (элемент топливной системы автомобиля, работающего на компримированном природном газе). Труба с помощью герметичного гибкого шланга соединялась с источником газа, в качестве которого была использована кассета с топливными баллонами, который обеспечивал постоянное давление на входе. На выходе создавалось переменное давление (при работе двигателя). В качестве смеси газов использовался природный газ, содержащий 90% метана. Перед входом в трубу в гибком шланге через загерметизированные отверстия был введен блок 4 с п/п датчиком 7 температуры HEL-775 (Honeywell), пьезодатчиком 6 давления Mediamate 5000 (Honeywell) и оптическим датчиком 7 концентраций, в качестве которого использовался BGS-7-01 - инфракрасный абсорбционный датчик, выпускаемый ООО ЦПАТ. Аналогичным образом такие же средства измерения помещались в гибкий шланг, надетый на выходе трубы. В качестве контрольного газа использовался метан. Давление на входе в трубу после завершения переходных процессов составило 200 атмосфер, температура 40°С, концентрация метана 90% (по массе).

После этого было создано резкое изменение давления и температуры на входе газа в трубу. В течение 2 секунд давление газа с 100 атм было повышено до 200 атм (подключены несколько баллонов), а температура в течение 20 секунд была повышена с 49°С до 110°С элементом сопротивления, расположенным на клапане высокого давления. После скачка температуры и давления концентрация контрольного газа составила на входе 90% и была достигнута на выходе через 4 секунды при температуре 97°С и давлении 199 атм. На основании этого был сделан вывод, что изделие герметично.

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для контроля герметичности незамкнутых полых изделий. Изобретение направлено на повышение точности измерений при одновременном снижении трудозатрат на его эксплуатацию, что обеспечивается за счет того, что изобретение включает средства изменения параметров газовой смеси перед проверяемым объемом, блок измерения входных параметров газовой смеси в проверяемом объеме и блок измерения выходных параметров газовой смеси, соединенные с блоком обработки получаемой информации и управления, при этом блоки измерения входных и выходных параметров содержат средства измерения давления и температуры смеси газов и концентрации по крайней мере одного из них, а блок измерения выходных параметров дополнительно содержит средство измерения времени изменения концентрации. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для проверки герметичности незамкнутых объемов, включающее средства изменения параметров газовой смеси перед проверяемым объемом, блок измерения входных параметров газовой смеси в проверяемом объеме и блок измерения выходных параметров газовой смеси, соединенные с блоком обработки получаемой информации и управления, при этом блоки измерения входных и выходных параметров содержат средства измерения давления и температуры смеси газов и концентрации по крайней мере одного из них, а блок измерения выходных параметров дополнительно содержит средство измерения времени изменения концентрации.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство изменения давления газовой смеси выполнено в виде импульсного регулятора давления.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство изменения температуры газовой смеси выполнено в виде детандера.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство изменения давления газовой смеси выполнено в виде компрессора.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство изменения температуры газовой смеси в сторону ее повышения выполнено в виде размещенного в газовом тракте на входе в проверяемый объем элемента сопротивления, соединенного с источником тока.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство изменения температуры газовой смеси в сторону ее понижения выполнено в виде размещенного в газовом тракте на входе в проверяемый объем элемента Пельтье, соединенного с источником тока.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство измерения давления выполнено в виде пьезодатчиков.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство измерения температуры выполнено в виде пироэлектрического датчика.9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство для измерения концентрации выполнено в виде инфракрасного абсорбционного датчика.10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство для измерения времени изменения концентрации выполнено в виде промышленного компьютера, используемого для управления устройством.