ИЗМЕРЕНИЕ БОЛЬШОЙ УТЕЧКИ В НЕСЖИМАЕМОМ ИСПЫТУЕМОМ ОБРАЗЦЕ В ПЛЕНОЧНОЙ КАМЕРЕ Российский патент 2020 года по МПК G01M3/32 

Изобретение относится к способу обнаружения большой утечки, по меньшей мере, на частично несжимаемом испытуемом образце в пленочной камере.

В случае пленочной камеры речь идет об особой форме испытательной камеры для размещения испытуемого на герметичность испытуемого образца. Пленочная камера отличается тем, что по меньшей мере один участок стенки состоит из гибкого материала (пленки). Испытуемый на герметичность испытуемый образец помещается во внутреннюю полость пленочной камеры, и затем пленочная камера вакуумируется. При вакуумировании пленочной камеры воздух из пленочной камеры в области снаружи испытуемого образца отсасывается, вследствие чего гибкая стенка пленочной камеры прижимается к испытуемому образцу. Особо подходящая пленочная камера состоит из двух уложенных один на другой, охватывающих испытуемый образец слоев пленки, которые своей краевой областью герметично соединены между собой. При вакуумировании пленочной камеры пленка всасывается до остаточных мертвых объемов на испытуемом образце. Затем с помощью датчика давления измеряется характеристика изменения давления внутри пленочной камеры в области снаружи испытуемого образца. Если газ вследствие утечки в испытуемом образце выходит из испытуемого образца, соответственно измеренное повышение давления служит указанием на утечку. Интенсивность течи при этом может измеряться на основании повышения давления. Для этого должен быть известен объем пленочной камеры, то есть охваченный пленочной камерой внутренний объем. Устанавливающийся после вакуумирования объем пленочной камеры зависит от величины и формы испытуемого образца. Вследствие несовершенного прилегания пленки к испытуемому образцу возникают мертвые объемы.

Пленочная камера сама отдает газ в объем пленочной камеры, например, из-за выделяющих газ из стенки пленочной камеры компонентов. Из этого следует повышение давления (повышение давления вследствие перемещения) внутри пленочной камеры. Такое повышение давления вследствие смещения и мертвые объемы пленочной камеры влияют на измеренную интенсивность течи. Из этого следует ошибка в определении интенсивности течи. Обычно во избежание такой ошибки производится предшествующее измерение с герметичным испытуемым образцом, чтобы обнаружить повышение давления вследствие перемещения и мертвые объемы. При этом мертвые объемы могут возникать в любом случае только вследствие зависящей от продукта калибровки перед собственно измерением. Как только испытуемый образец заменяется, например, при выборочном тесте, или как только количество испытуемых образцов изменяется, предыдущая зависящая от продукта калибровка является неточной.

В заявке на патент ФРГ №10 2014 219 481.4, содержание которой посредством ссылки включается в настоящую заявку, описывается газопроводящее соединение внутренней полости пленочной камеры, то есть охваченного пленочной камерой объема пленочной камеры, с охваченным калибровочной камерой калибровочным объемом. Между пленочной камерой и калибровочной камерой предусмотрен калибровочный клапан, посредством которого газопроводящий путь между пленочной камерой и калибровочной камерой при вакуумировании пленочной камеры закрыт. После того как пленочная камера была вакуумирована и в то время как изменение давления внутри пленочной камеры измеряется датчиком давления, калибровочный клапан открывается, причем при открытии калибровочного клапана давление внутри калибровочной камеры больше или меньше, чем внутри вакуумированной пленочной камеры.

После открытия калибровочного клапана газ течет из калибровочной камеры в пленочную камеру (или наоборот), что ведет к скачкообразному повышению или падению давления внутри пленочной камеры. Такое изменение давления можно назвать резким скачком давления. Скачок давления зависит при этом от объема пленочной камеры. В случае пустой пленочной камеры, то есть без испытуемого образца, это весь внутренний объем пленочной камеры. Если испытуемый образец находится в пленочной камере, то это остаточный объем внутри пленочной камеры в области снаружи по существу герметичного испытуемого образца. На основании скачка давления при каждом измерении испытуемого образца можно определять соответственно фактический объем пленочной камеры и, тем самым, точно вычислять интенсивность течи по повышению давления. Предшествующее отдельное калибровочное измерение тогда не требуется.

Описывается, что объем пленочной камеры определяется из разности давления в калибровочном объеме до открытия калибровочного клапана (известное, предпочтительно атмосферное давление) и давления внутри пленочной камеры после открытия калибровочного клапана.

Под, по меньшей мере, частично несжимаемым испытуемым образцом понимается испытуемый образец, при котором речь может идти о, по меньшей мере, частично твердом испытуемом образце или испытуемом образце, содержащем твердые предметы, таком, как, например, упаковка с содержащимися в ней продуктами питания. У подобных испытуемых образцов присутствует такая особенность, что их внешний вид в случае большой утечки изменяется не в такой же степени, как при сжимаемом, то есть имеющим мягкую форму, полностью или значительно сжимаемом испытуемом образце. Несжимаемые испытуемые образцы могут также называться геометрически устойчивыми. Именно в случае твердого испытуемого образца он не меняет свою внешнюю форму даже при полном вакуумировании. Именно при таких, по меньшей мере, частично несжимаемых испытуемого образцах большие утечки не обнаруживаются с достаточной точностью, так как во время фазы вакуумирования весь содержащийся в испытуемом образце газ высасывается, и потому газа, чтобы создать измеримое повышение давления, при измерении более нет.

В основу изобретения положена задача создать усовершенствованное измерение большой утечки, по меньшей мере, частично несжимаемого испытуемого образца в пленочной камере.

Способ согласно изобретению определяется признаками п. 1 формулы изобретения.

Измерение большой утечки происходит путем сравнения изменения давления между давлением внутри пленочной камеры до ее газопроводящего соединения с калибровочной камерой и давлением внутри пленочной камеры после установления газопроводящего соединения между пленочной и калибровочной камерами в случае пустой пленочной камеры, в которой не содержится испытуемый образец, с соответствующей разностью давлений в случае содержащегося в пленочной камере, по меньшей мере, частично несжимаемого испытуемого образца. В случае сильно негерметичного испытуемого образца, то есть испытуемого образца, имеющего большую утечку, разность давлений меньше, чем в случае пустой пленочной камеры или в случае герметичного испытуемого образца или испытуемого образца лишь с малой интенсивностью течи.

Типичные значения внутреннего объема калибровочной камеры могут составлять 1-10 см³ при давлении внутри испытательной камеры около 1000 бар (атмосферное давление) до открытия калибровочного клапана. Поскольку калибровочная камера может быть заполнена окружающим воздухом, может потребоваться определить фактическое давление воздуха посредством подходящего манометра и после установления соединения между пленочной камерой и калибровочной камерой соответственно скорригировать установившуюся разность давлений.

Калибровочная камера может быть снабжена калиброванной течью, интенсивность течи которой известна. Исходя из повышения давления, получающегося из интенсивности течи испытуемого образца, можно сделать вывод о внутреннем объеме сильно негерметичного твердого испытуемого образца.

Для быстрого измерения утечки устанавливающаяся после открытия калибровочного клапана характеристика изменения давления в пленочной камере может быть математически экстраполирована на основании экспоненциальной функции. В частности, это выгодно, чтобы обнаружить разность давлений между давлением внутри пленочной камеры до открытия калибровочного клапана и при полном выравнивании давления с открытым калибровочным клапаном. В частности, это выгодно в том случае, если большие испытуемые образцы препятствуют течению газа внутри пленочной камеры и потому выравнивание давления продолжается дольше, чем при пустом состоянии пленочной камеры.

После открытия калибровочного клапана получается выравнивание давления между калибровочным объемом (внутренним объемом калибровочной камеры), в который сначала подается окружающий воздух, и объемом пленочной камеры, который имеет явно меньшее давление. В зависимости от свойств и величины испытуемого образца такое выравнивание давления происходит быстрее или медленнее. Ожидаемое конечное давление в случае состоявшегося выравнивания давления может быть математически экстраполировано на основании экспоненциальной функции по меньшей мере из двух, предпочтительно по меньшей мере из трех, последовательных результатов измерений давления в пленочной камере.

Ниже вариант осуществления изобретения подробнее поясняется на основании фигур. На них показаны:

фиг. 1 - схематическое изображение в первом режиме работы,

фиг. 2 - характеристика изменения давления в первом режиме работы,

фиг. 3 - вид согласно фиг. 1 во втором режиме работы,

фиг. 4 - характеристика изменения давления в первом режиме работы,

фиг. 5 - вид согласно фиг. 1 в третьем режиме работы,

фиг. 6 - характеристика изменения давления в третьем режиме работы и

фиг. 7 - подробный вид характеристики изменения давления согласно фиг. 6.

Пленочная камера 12 состоит из двух слоев пленки 14, 16, которые охватывают испытуемый образец 18 и в краевой области испытуемого образца 18 герметично соединены между собой. Слои пленки 14, 16 охватывают объем 20 пленочной камеры во внутренней полости пленочной камеры 12. На фиг. 1 объем 20 пленочной камеры представляет собой объем внутри пленочной камеры 12 в области снаружи испытуемого образца 18.

По газовому трубопроводу 22 внутренняя полость пленочной камеры 12 газопроводящим образом соединена через откачивающий клапан 24 с вакуумным насосом 26, через измерительный клапан 28 - с датчиком 30 давления, через вентиляционный клапан 32 - с окружающей пленочную камеру 12 атмосферой, и через калибровочный клапан 34 - с калибровочной камерой 36.

Калибровочная камера 36 охватывает калибровочный объем, который первоначально заполнен воздухом под атмосферным давлением. Калибровочный клапан 34 первоначально закрыт. На фигурах открытое состояние клапана показано изображенным с заливкой клапаном, а закрытое состояние показано изображенным без заливки клапаном. Итак, в первом режиме работы согласно фиг. 1 измерительный клапан 28, вентиляционный клапан 32 и калибровочный клапан 34 закрыты. Откачивающий клапан 24, напротив, открыт. В показанном на фиг. 1 первом режиме работы испытуемый образец 18 находится внутри герметично закрытой пленочной камеры 12, в то время как вакуумный насос 26 вакуумирует пленочную камеру 12 при открытом откачивающем клапане 24 через газовый трубопровод 22.

На фиг. 2 показана характеристика изменения давления, которая устанавливается во время вакуумирования внутри пленочной камеры 12. При открытом измерительном клапане 28 датчик 30 давления замерил бы показанную на фиг. 2 характеристику изменения давления. Однако на фиг. 1 при вакуумировании пленочной камеры 12 измерительный клапан 28 закрыт, чтобы не повредить датчик 30 давления.

На фиг. 3 показан следующий режим работы после вакуумирования пленочной камеры 12. Откачивающий клапан 24 закрыт (показан без заливки), а измерительный клапан 28 открыт (показан с заливкой). Герметично закрытый объем 20 пленочной камеры через него соединен с датчиком 30 давления. Как показано на фиг. 4, датчик 30 давления замеряет повышение давления внутри пленочной камеры 12 за промежуток времени t. Это повышение давления может следовать, во-первых, из утечки в испытуемом образце 18, а во-вторых, из давления перемещения. При повышении давления из-за перемещения речь идет о повышении давления, которое возникает не вследствие утечки в испытуемом образце 18, а вследствие других физических эффектов, таких, как, например, выделяющихся из стенки пленочной камеры молекул газа.

После вакуумирования пленочной камеры 12 (первый режим работы) и открытия измерительного клапана 28 (второй режим работы) теперь открывается также калибровочный клапан 34. Этот третий режим работы показан на фиг. 5. Через открытый калибровочный клапан 34 воздух течет из калибровочной камеры 36 по газовому трубопроводу 22 в пленочную камеру 12. Вследствие большой разности давления между вакуумом в пленочной камере 12 и атмосферным давлением внутри калибровочной камеры 36 давление в пленочной камере 12 после открытия калибровочного клапана 34 резко возрастает.

Такой скачок Δр давления показан на фиг. 6 и измеряется датчиком 30 давления. Скачок Δр давления представляет собой разность между давлением р_G внутри пленочной камеры 12 после открытия калибровочного клапана 34 и давлением p_F внутри пленочной камеры 12 перед открытием калибровочного клапана 34:

Вследствие того, что общее количество газа в пленочной камере 12 и в калибровочной камере 36 до и после открытия калибровочного клапана сохраняется, справедливо

причем

p_G: давление внутри пленочной камеры 12 после открытия калибровочного клапана 34,

V_F: подлежащий определению объем 20 пленочной камеры,

V_V: калибровочный объем 37 внутри калибровочной камеры 36 (в диапазоне от 1/1000 до 1/10 объема пленочной камеры без испытуемого образца)

и

p_V: давление внутри калибровочной камеры 36 до открытия калибровочного клапана 34 (атмосферное давление, около 1 бар).

Из этого на основании скачка Δр=(p_G-p_F) давления можно вычислить объем 20 пленочной камеры как:

В качестве давления р_G при анализе скачка Δр давления, предпочтительно, рассматривается устанавливающееся конечное давление p_END. Конечное давление p_END это то давление, которое устанавливается при состоявшемся выравнивании давления между пленочной камерой 12 и калибровочной камерой 36, то есть в конце переходного процесса давления в пленочной камере после открытия калибровочного клапана 34.

Внутренний объем V_INNEN пленочной камеры 12 с помещенным в пленочной камере испытуемым образцом 18, таким как, например, по меньшей мере, частично несжимаемым или совершенно твердым и/или геометрически устойчивым испытуемым образцом, можно вычислить как:

и если устанавливающиеся конечные давления P_G1 и P_G2 после выравнивания давления малы по сравнению с давлением в калибровочном объеме p_V, как

причем

V_INNEN: внутренний объем пленочной камеры 12 с помещенным испытуемым образцом 18,

V_LEER: внутренний объем пустой пленочной камеры 12 без испытуемого образца 18,

Δp_LEER: разность давлений между давлением в пленочной камере 12 до соединения с калибровочной камерой 36 и после соединения с калибровочной камерой 36 при пустой пленочной камере 12,

Δp_PRUFLING: разность давлений между давлением в пленочной камере 12 до соединения с калибровочной камерой 36 и после соединения с калибровочной камерой 36 с помещенным в пленочной камере 12 испытуемым образцом,

P_G1: устанавливающееся конечное давление при пустой камере после соединения калибровочного объема с пленочной камерой, и

P_G2: устанавливающееся конечное давление при заполненной испытуемым образцом камере после соединения калибровочного объема с пленочной камерой.

Внутренний объем V_LEER определяется посредством однократной калибровки при известном внутреннем объеме. Для этого проводится измерение с пустым измерением и измерение при известном внутреннем объеме V_KAL. Внутренний объем камеры определяется тогда из:

или, если p_G2, p_G2<<p_V,

причем

V_KAL: известный калибровочный объем. Величина калибровочного объема должна составлять 1/5-1/20 внутреннего объема пустой камеры V_LEER.

На фиг. 7 показан переходный процесс давления р во время выравнивания давления при открытом калибровочном клапане 34. Если в качестве скачка давления Δр рассматривается разность P_END - Р_KAM давлений, то есть разность давления внутри пленочной камеры в конце переходного процесса давления и давления внутри пленочной камеры до переходного процесса давления, то характеристику изменения давления p(t) в зависимости от промежутка времени t во время переходного процесса давления можно математически описать формулой:

причем

p(t): моментальное давление в момент времени t,

p_KAM: давление в пленочной камере (12) до установления газопроводящего соединения между пленочной и калибровочной камерами (36),

р2: давление в пленочной камере (12) до установления газопроводящего соединения между пленочной и калибровочной камерой (36),

р3: давление в пленочной камере (12) в момент времени t3 после момента времени t2,

p_END: конечное давление в пленочной камере (12) после соединения пленочной камеры (12) и калибровочной камеры (36), предпочтительно в момент времени t=∞,

t: время,

Tau: постоянная времени переходного процесса давления после соединения пленочной камеры (12) с калибровочной камерой (36).

На основании по меньшей мере двух последовательных результатов измерений давления р2, р3, предпочтительно по меньшей мере трех последовательных результатов измерений давления p1, р2, р3, характеристику изменения давления p(t) можно экстраполировать посредством вышеуказанной формулы. Измерение характеристики изменения давления и ожидание, пока установится конечное давление p_END при состоявшемся выравнивании давления, тогда не нужны. Более того, давление внутри пленочной камеры может быть экстраполировано уже при состоявшемся выравнивании давления.

Для равных интервалов между моментами времени t1, t2 и t2, t3, причем t1 является моментом времени, в который открывается калибровочный клапан 34 и t2 лежит между t1 и t3, конечное давление p_END может быть вычислено как:

За счет этого возможно вычисление устанавливающегося конечного давления p_END внутри пленочной камеры, прежде чем это конечное давление устанавливается при состоявшемся выравнивании давления.

На основании вычисленного таким образом конечного давления описанные выше разности давлений могут вычисляться и сравниваться между собой для обнаружения большой утечки, по меньшей мере, на частично несжимаемом испытуемом образце.

Способ измерения большой утечки в, по меньшей мере, частично несжимаемом испытуемом образце (18) в имеющей по меньшей мере один гибкий участок стенки пленочной камеры (12), которая газопроводящим образом соединена с датчиком (30) давления, вакуумным насосом (26) и через калибровочный клапан (34) - с охватывающей калибровочный объем (37) калибровочной камерой (36), с шагами: вакуумирования пленочной камеры (12), измерения характеристики изменения давления внутри пленочной камеры (12) после окончания вакуумирования, газопроводящего соединения калибровочного объема (37) с внутренним объемом пленочной камеры (12) во время измерения характеристики изменения давления, причем давление измеряют до установления газопроводящего соединения и при газопроводящем соединении с пленочной камерой (12), и причем давление в калибровочной камере (36) до соединения с пленочной камерой (12) больше или меньше, чем давление в пленочной камере (12), отличающийся тем, что сравнивают разность ΔpLEER давлений между давлением до установления газопроводящего соединения и давлением при газопроводящем соединении с пленочной камерой (12) в случае пустой пленочной камеры (12) без испытуемого образца (18) с соответствующей разностью давлений при помещенном в пленочной камере (12) испытуемом образце (18). Технический результат – повышение точности вычисления интенсивности течи по повышению давления, исключение предварительного отдельного калибровочного измерения. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ измерения большой утечки в по меньшей мере частично несжимаемом испытуемом образце (18) в имеющей по меньшей мере один гибкий участок стенки пленочной камере (12), которая газопроводящим образом соединена с датчиком (30) давления, вакуумным насосом (26) и через калибровочный клапан (34) - с охватывающей калибровочный объем (37) калибровочной камерой (36), с шагами

вакуумирования пленочной камеры (12),

измерения характеристики изменения давления внутри пленочной камеры (12) после окончания вакуумирования,

газопроводящего соединения калибровочного объема (37) с внутренним объемом пленочной камеры (12) во время измерения характеристики изменения давления, причем давление измеряют до установления газопроводящего соединения и при газопроводящем соединении с пленочной камерой (12), и причем давление в калибровочной камере (36) до соединения с пленочной камерой (12) больше или меньше, чем давление в пленочной камере (12),

отличающийся тем, что сравнивают разность Δp_LEER давлений между давлением до установления газопроводящего соединения и давлением при газопроводящем соединении с пленочной камерой (12) в случае пустой пленочной камеры (12) без испытуемого образца (18) с соответствующей разностью давлений при помещенном в пленочной камере (12) испытуемом образце (18).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что внутренний объем V_INNEN пленочной камеры (12) с помещенным в ней испытуемым образцом (18) вычисляют из

,

или, если p_G2, p_G2 << p_V,

причем V_INNEN: внутренний объем пленочной камеры (12) с помещенным испытуемым образцом (18),

V_LEER: внутренний объем пустой пленочной камеры (12) без испытуемого образца (18),

Δp_LEER: разность давлений между давлением в пленочной камере (12) до соединения с калибровочной камерой (36) и давлением в пленочной камере после соединения с калибровочной камерой (36) при пустой пленочной камере (12),

разность давлений между давлением в пленочной камере (12) до соединения с калибровочной камерой (36) и давлением в пленочной камере (12) после соединения с калибровочной камерой (36) при помещенном в пленочной камере (12) испытуемом образце (18),

p_G1: устанавливающееся конечное давление при пустой камере после соединения калибровочного объема с пленочной камерой, и

p_G2: устанавливающееся конечное давление при заполненной испытуемым образцом камере после соединения калибровочного объема с пленочной камерой.

3. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что внутренний объем пустой камеры определяют посредством сравнительного измерения пустой камеры с измерением при известном внутреннем объеме V_KAL с помощью следующей зависимости

или, если p_G2, p_G2 << p_V,

,

причем V_KAL: известный калибровочный объем, величина которого, предпочтительно, составляет 1/5-1/20 внутреннего объема пустой камеры V_LEER.

4. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что калибровочная камера (36) снабжена калиброванной течью (40) с предварительно заданной интенсивностью течи, и внутренний объем пленочной камеры (12) вычисляют с учетом устанавливающегося повышения давления после соединения пленочной камеры (12) с калибровочным объемом (37).

5. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что рассматривают соответственно разности давлений между давлением до установления газопроводящего соединения между пленочной камерой (12) и калибровочной камерой (36) и устанавливающимся при газопроводящем соединении между пленочной камерой (12) и калибровочной камерой (36) конечным давлением внутри пленочной камеры (12).

6. Способ по предшествующему пункту, отличающийся тем, что устанавливающееся конечное давление внутри пленочной камеры (12) при газопроводящем соединении между пленочной и калибровочной камерами (36) экстраполируют на основании экспоненциальной функции устанавливающейся характеристики изменения давления, причем функция имеет по меньшей мере два измеренных с помощью датчика (30) давления значения давления.

7. Способ по предшествующему пункту, отличающийся тем, что для экстраполяции устанавливающегося конечного давления формула

P(t)=(р_End-p_Kam)×(1-е^-t/Tau)+p_Kam,

причем p(t): моментальное давление в момент времени t,

p_KAM: давление в пленочной камере (12) до установления газопроводящего соединения между пленочной и калибровочной камерами (36),

p_END: конечное давление в пленочной камере (12) после соединения пленочной камеры (12) и калибровочной камеры (36), предпочтительно в момент времени t=∞,

t: время, и

Tau: постоянная времени переходного процесса давления после соединения пленочной камеры (12) с калибровочной камерой (36).

8. Способ по предшествующему пункту, отличающийся тем, что для равных по длительности временных интервалов t2-t1=t3-t2 конечное давление экстраполируют как

p_End=(р2×р2-р_Kam×р2)/(2×р2-р_Kam-р3),

причем р2: давление в пленочной камере (12) в момент времени t2 после установления соединения между пленочной и калибровочной камерами (36),

р3: давление в пленочной камере (12) в момент времени t3 после момента времени t2, и

t1: момент, когда открывают калибровочный клапан (34).