Способ тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении Российский патент 2022 года по МПК G01M3/00 G01M3/02 G01M3/26 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности, к испытаниям изделий космической техники на герметичность по накоплению при атмосферном давлении, и может найти применение в таких областях техники, как газовая промышленность, атомное машиностроение, авиастроение, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий - герметичных отсеков летательных аппаратов, агрегатов и трубопроводов пневмогидравлических систем.

Известен способ испытания на герметичность изделий, заключающийся в том, что размещают контролируемое изделие в объеме накопления, заполненном воздухом при атмосферном давлении, герметизируют объем накопления, непрерывно перемешивают воздух в объеме накопления, подключают к объему накопления средство измерения концентрации пробного газа в воздухе, приготавливают газовую смесь с содержанием пробного газа, смешивая пробный газ с технологическим газом, подают в объем накопления порцию газовой смеси с содержанием пробного газа и регистрируют при помощи средства измерения концентрации пробного газа повышение концентрации пробного газа в воздухе объема накопления (1, Авторское свидетельство СССР №1552027, МПК: G01M 3/02 (2006.01), опубл. 23.03.1990, бюл. №11). В качестве технологического газа используют воздух или азот; использование технологического газа дает возможность уменьшить объем пробного газа, подаваемого в объем накопления, пропорционально объемной концентрации пробного газа в приготавливаемой газовой смеси.

Недостаток способа заключается в том, что однократная подача в объем накопления порции газовой смеси с содержанием пробного газа может привести к ошибке при тестировании испытательной системы из-за просчета при приготовлении газовой смеси в смесителе, или просчета при вводе объема порции газовой смеси шприцем или иным дозатором, или просчета при выборе места ввода порции, например, при вводе порции в зону объема накопления с недостаточной интенсивностью перемешивания воздуха.

Известен способ контроля герметичности изделий, заключающийся в том, что размещают контролируемое изделие в объеме накопления, заполненном воздухом при атмосферном давлении, герметизируют объем накопления, непрерывно перемешивают воздух в объеме накопления, подключают к объему накопления средство измерения концентрации пробного газа в воздухе, приготавливают газовую смесь с содержанием пробного газа, смешивая пробный газ с технологическим газом, подают в объем накопления поток газовой смеси с содержанием пробного газа и регистрируют при помощи средства измерения концентрации пробного газа повышение концентрации пробного газа в воздухе объема накопления (2, Авторское свидетельство СССР №1820261 «Способ контроля герметичности изделий», МПК: G01M 3/04 (2006.01), опубл. 07.06.1993, бюл. №21).

Недостатком способа является то, что подача в объем накопления потока газовой смеси с содержанием пробного газа требует применения достаточно сложных и дорогостоящих технических устройств - калиброванных контрольных течей. При этом погрешность измерения потоков газовой смеси, создаваемых калиброванными контрольными течами, может достигать значительной величины. Например, погрешность измерения потока пробного газа для капиллярных контрольных течей составляет до ±30% (3, «Течи контрольные. Технические условия». ОСТ 92-2125-87). Кроме того, калибровка контрольных течей является длительным и трудоемким процессом: например, время автоматической калибровки контрольных течей, создающих потоки пробного газа 1,0⋅10^-4 и 1,0-10^-5 м³⋅Па/с, составит соответственно около 2,4 и 24,4 ч (4, патент РФ №2655000 «Контрольная течь», МПК: G01F 13/00 (2006.01), G01M 3/00 (2006.01), опубл. 23.05.2018, бюл. №15).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении, заключающийся в том, что создают циркуляцию газовой среды в камере накопления с размещенным в ней контролируемым изделием, вводят в объем накопления порцию пробного газа, в процессе циркуляции измеряют концентрацию пробного газа в объеме накопления, а об интенсивности переноса пробного газа в объеме накопления и газообмена между объемом накопления и окружающей его атмосферой судят по изменению концентрации пробного газа в объеме накопления со временем (5, Авторское свидетельство СССР №1551046, МПК: G01M 3/02 (2006.01), опубл. 20.10.1996).

Данный способ тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении принят авторами за прототип.

Недостатком прототипа является то, что, с одной стороны, подача в объем накопления порции пробного газа может привести к ошибке из-за просчета при дозировании порции или при выборе места ввода порции пробного газа в объем накопления, а с другой стороны, способ не обеспечивает возможности тестирования испытательной системы как в плане количественного подтверждения значения достигаемой чувствительности испытаний, так и в плане качественного подтверждения характера протекающего в объеме накопления процесса при испытаниях реального изделия, то есть накопления в объеме накопления пробного газа с постоянной скоростью.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении за счет оперативного количественного подтверждения значения достигаемой чувствительности испытаний и качественного подтверждения линейного характера накопления пробного газа в объеме накопления в ходе испытаний реального изделия.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении, а также повышение производительности испытаний изделий на герметичность и, как следствие, качества испытаний, что увеличивает надежность изделий и долговечность их эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении, в котором размещают контролируемое изделие в объеме накопления, заполненном воздухом при атмосферном давлении, герметизируют объем накопления, непрерывно перемешивают воздух в объеме накопления, подключают к объему накопления средство измерения концентрации пробного газа в воздухе, приготавливают газовую смесь с содержанием пробного газа, смешивая пробный газ с технологическим газом, подают в объем накопления порцию газовой смеси с содержанием пробного газа, регистрируют при помощи средства измерения концентрации пробного газа повышение концентрации пробного газа в воздухе объема накопления, об интенсивности переноса пробного газа в объеме накопления и газообмена между объемом накопления и окружающей его атмосферой судят по изменению концентрации пробного газа в объеме накопления со временем, причем через равные промежутки времени вводят в объем накопления расчетное количество равных порций газовой смеси с содержанием пробного газа, а значения промежутков времени между вводами порций, объемов порций, расчетного количества равных порций газовой смеси с содержанием пробного газа, концентрации пробного газа в газовой смеси с содержанием пробного газа и суммарного давления газовой смеси с содержанием пробного газа в порциях выбирают на основании значения потока пробного газа в объем накопления, требуемого для проведения тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении, при этом об интенсивности переноса пробного газа в объеме накопления судят с учетом изменений концентрации пробного газа в объеме накопления, измеренных в промежутках между вводами порций газовой смеси, а об интенсивности воздухообмена объема накопления с окружающей атмосферой судят по отклонению повышения концентрации пробного газа в воздухе объема накопления от линейной зависимости от времени.

Было проведено экспериментальное опробование метода (6, Зяблов В.А. и др. «Разработка, экспериментальная отработка и практическое применение высокочувствительных испытаний на суммарную герметичность гермоотсеков и пневмогидравлических систем крупногабаритных изделий космической техники без использования вакуумных камер». «Космическая техника и технологии», №1(12), 2016, с. 75-76), результаты которого представлены на фиг. 1 и в таблице 1.

На фиг. 1 представлена зависимость концентрации гелия в объеме накопления от времени при опробовании предлагаемого способа тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении.

В таблице 1 приведены данные по тестированию испытательной системы при разных значениях объема вводимой порции гелия.

Предлагаемый способ тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении осуществляют следующим образом:

- размещают контролируемое изделие в объеме накопления, заполненном воздухом при атмосферном давлении, например, размещают космический летательный аппарат в герметизированном транспортировочном контейнере, используемом в качестве объема накопления;

- герметизируют объем накопления, например, герметично закрывая крышку транспортировочного контейнера;

- непрерывно перемешивают воздух в объеме накопления, например, при помощи вентиляторов, размещенных в свободном объеме транспортировочного контейнера;

- подключают к объему накопления средство измерения концентрации пробного газа в воздухе, например, подсоединяя к штуцеру транспортировочного контейнера щуп гелиевого масс-спектрометрического течеискателя;

- приготавливают газовую смесь с содержанием пробного газа, смешивая пробный газ с технологическим газом, например, составляют гелиево-воздушную смесь с требуемой концентрацией гелия в специальной емкости, оснащенной эластомерной мембраной для прокалывания иглой инъекционного шприца;

- через равные промежутки времени вводят в объем накопления равные порции газовой смеси с содержанием пробного газа в расчетном количестве, например, отбирая в инъекционный шприц порции газовой смеси из специальной емкости и последовательно вводя инъекционным шприцем отобранные порции газовой смеси в воздух свободного объема транспортировочного контейнера. При этом значения промежутков времени между вводами порций газовой смеси, объемов порций, расчетного количества равных порций газовой смеси с содержанием пробного газа, значения концентрации пробного газа в газовой смеси с содержанием пробного газа, значения суммарного давления в порциях газовой смеси с содержанием пробного газа выбирают на основании значения потока пробного газа в объем накопления, требуемого для проведения тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении. Например, если должен быть проведен тест испытательной системы, подтверждающий ее чувствительность к потоку гелия 100% 2,5 л⋅мкм рт.ст./с, выраженному в единицах с размерностью «объем ⋅ давление / время», то можно выбрать следующие значения параметров тестирования:

а) значение промежутка времени между вводами порций газовой смеси с содержанием гелия равным 5 мин;

б) значение объема одной порции газовой смеси с содержанием гелия равным 1 см³;

в) значение числа вводимых равных порций газовой смеси с содержанием гелия - в пределах от 5-и до 10-и, например, 7. При этом, учитывая п. а), суммарная продолжительность тестирования составит 5 мин ⋅ 7=35 мин;

г) значение концентрации гелия в газовой смеси с содержанием гелия равным 100%, т.е. можно выбрать ввод порций гелия 100% без смешивания его с технологическим газом;

д) значение суммарного давления газовой смеси с содержанием пробного газа в порциях равным текущему значению атмосферного давления, т.е. абсолютного давления воздуха в объеме накопления, например, 750 мм рт.ст.

Тогда рассматриваемый ввод равных порций газовой смеси с содержанием гелия и вышеназванными параметрами равносилен непрерывному поступлению потока гелия, равного:

- регистрируют при помощи средства измерения концентрации пробного газа, например, гелиевого масс-спектрометрического течеискателя повышение концентрации пробного газа в воздухе объема накопления, возникающее в результате рассматриваемого ввода равных порций газовой смеси с содержанием гелия и вышеназванными параметрами;

- если непрерывное перемешивание воздуха в объеме накопления обеспечивает высокую интенсивность переноса пробного газа в объеме накопления, то показания средства измерения концентрации пробного газа после каждого ввода в объем накопления порции газовой смеси будут кратковременно резко возрастать, а затем быстро спадать и оставаться практически постоянными до следующего ввода в объем накопления порции газовой смеси. При этом усредненные по времени значения показаний в промежутках между вводами порций будут нарастать с каждой новой введенной порцией;

- в противоположном случае, если интенсивность переноса пробного газа в объеме накопления низка, то показания средства измерения концентрации пробного газа после каждого ввода в объем накопления порции газовой смеси будут возрастать медленно и так же медленно спадать в течение всего промежутка времени до ввода в объем накопления следующей порции газовой смеси. В этом случае усредненные по времени значения показаний в промежутках между вводами порций также будут нарастать с каждым последующим вводом порции. Таким образом, анализируя характер изменений показаний средства измерения концентрации пробного газа в зависимости от времени в промежутках между вводами порций газовой смеси, можно оценить интенсивность переноса пробного газа в объеме накопления;

- если интенсивность воздухообмена объема накопления с окружающей атмосферой пренебрежимо мала, то есть этот воздухообмен практически отсутствует, то значения показаний средства измерения концентрации пробного газа за все время вводов порций газовой смеси будут с высокой точностью аппроксимироваться линейной зависимостью от времени. Если же интенсивность воздухообмена объема накопления с окружающей атмосферой составляет заметную величину, то в ходе тестирования испытательной системы с течением времени t рост показаний средства измерения концентрации пробного газа C(t) будет замедляться и описываться так называемой функцией экспоненциального распределения:

где С₀ - постоянная, зависящая от количества пробного газа в каждой порции, величины свободного объема накопления и чувствительности средства измерения концентрации пробного газа,

Т - постоянная времени, описывающая интенсивность воздухообмена объема накопления с окружающей атмосферой.

Таким образом, анализ показаний средства измерения концентрации пробного газа на протяжении всего тестирования позволит оценить параметры С₀ и Т и тем самым оценить интенсивность воздухообмена объема накопления с окружающей атмосферой.

При проверке предлагаемого способа в качестве пробного газа был выбран гелий ТУ 0271-135-31323949-2005. Величина использованного объема накопления составляла около 100 м³. В качестве средства измерения концентрации контрольного газа в воздухе использовался течеискатель PhoeniX L300i Dry производства Oerlikon Ley bold Vacuum GmbH, оснащенный щупом SL 300 из комплекта названного течеискателя и работавший в режиме индикации объемной концентрации гелия в воздухе в единицах с размерностью «число частей на миллион» (parts per million, ppm). Для перемешивания воздуха в объеме накопления и создания равномерной концентрации гелия в воздухе использовались два бытовых электрических вентилятора Electrolux EFF-1004i общей электрической мощностью 110 Вт. Концентрация гелия во вводимых в объем накопления порциях газовой смеси составляла 100%. Для ввода гелия использовались шприцы «РКЦ Прогресс» двухкомпонентные 21G (0,8 мм × 40 мм), 5 мл (5 см³) и 23G (0,6 мм × 25 мм), 2 мл (2 см³), оснащенные соответствующими инъекционными иглами. Давление вводимых порций гелия равнялось атмосферному.

Типичный результат измерений при тестировании описанной испытательной системы представлен на фиг. 1, на котором изображена зависимость концентрации гелия в объеме накопления от времени. При этом конкретном измерении в объем накопления было введено 7 порций гелия объемом по 1 см³ каждая, в моменты истекшего с начала измерений времени 25 мин 00 с, 30 мин 00 с, 35 мин 00 с, 40 мин 00 с, 45 мин 00 с, 50 мин 00 с и 55 мин 00 с. После каждого из вводов порций гелия показания течеискателя кратковременно возрастали, а затем спадали в результате выравнивания концентрации гелия по объему накопления. Вся совокупность показаний течеискателя - график с обозначением «Ряд 1» - обнаруживает тенденцию линейного роста со временем, который может быть аппроксимирован линейной зависимостью «у=412,76х-0,3017» с обозначением «Линейная (Ряд 1)».

Из анализа фиг. 1 следует, что:

а) чувствительность тестируемой испытательной системы позволяет достоверно зарегистрировать поток гелия 100%, равный 2,5 л⋅мкм рт.ст./с. Вычисление данного потока приведено выше в примере выбора конкретных значений параметров вводимых порций газовой смеси, см. выражение (1);

б) интенсивность переноса гелия в объеме накопления достаточна для проведения контроля герметичности изделий по накоплению при атмосферном давлении за несколько десятков минут, - из фиг. 1 следует, что выравнивание концентрации гелия по объему накопления происходит за время, в несколько раз превышающее промежуток времени 5 мин между вводами порций гелия, - от 20 до 35 мин, что вполне приемлемо с учетом продолжительности аналогичного по чувствительности процесса контроля герметичности изделий с использованием крупногабаритных вакуумных камер и гелиевых масс-спектрометрических течеискателей, занимающего от 4 до 8 ч с учетом продолжительности достижения рабочего вакуума в крупногабаритной вакуумной камере;

в) поскольку за суммарное время тестирования 35 мин не наблюдается значительного отклонения роста показаний течеискателя от линейной зависимости, можно сделать вывод: тестируемый объем накопления в достаточной степени герметичен, и при испытаниях изделия с выдержкой под испытательным давлением в течение нескольких десятков минут в объеме накопления проходит линейный во времени процесс накопления пробного газа.

Выводы пп. а) - в) были подтверждены также проведением тестирования с измененным параметром: вводом в тот же объем накопления различных по объему порций гелия - см. таблицу 1. Из ее рассмотрения следует, что использование различных по объему порций гелия позволяет проводить тестирование, подтверждающее чувствительности испытаний, различающиеся по меньшей мере на порядок - от 2,5 до 25 л⋅мкм рт.ст./с. При этом была подтверждена линейность накопления пробного газа в тестируемом объеме накопления, о чем свидетельствовало пропорциональное соответствие между значениями в строке «Нормированный коэффициент скорости роста сигнала течеискателя, безразмерные единицы», с одной стороны, и строках «Объем вводимой порции гелия, см³» и «Усредненный поток 100% гелия в объем накопления, л⋅мкм рт.ст./с», с другой стороны.

Использование предлагаемого способа позволяет за счет оперативного тестирования испытательных систем и применения простых по конструкции и употреблению устройств ввода порций газа вместо сложных и дорогостоящих калиброванных контрольных течей повысить производительность испытаний изделий на герметичность и, как следствие, качество испытаний, что увеличивает надежность изделий и долговечность их эксплуатации.

Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к испытаниям изделий космической техники на герметичность. В предлагаемом способе размещают контролируемое изделие в герметичном объеме накопления, заполненном воздухом при атмосферном давлении. Непрерывно перемешивают воздух в объеме накопления. Подключают к объему накопления средство измерения концентрации пробного газа в воздухе. Приготавливают смесь пробного и технологического газа, через равные промежутки времени вводят в объем накопления расчетное количество равных порций газовой смеси и регистрируют при помощи средства измерения повышение концентрации пробного газа в воздухе объема накопления. При этом об интенсивности переноса пробного газа в объеме накопления судят с учетом изменений концентрации пробного газа в объеме накопления, измеренных в промежутках между вводами порций газовой смеси, а об интенсивности воздухообмена объема накопления с окружающей атмосферой судят по отклонению повышения концентрации пробного газа в воздухе объема накопления от линейной зависимости от времени. Достигается повышение достоверности и производительности тестирования испытательной системы при контроле на герметичность. 1 ил., 1 табл.

Способ тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении, заключающийся в том, что размещают контролируемое изделие в объеме накопления, заполненном воздухом при атмосферном давлении, герметизируют объем накопления, непрерывно перемешивают воздух в объеме накопления, подключают к объему накопления средство измерения концентрации пробного газа в воздухе, приготавливают газовую смесь с содержанием пробного газа, смешивая пробный газ с технологическим газом, подают в объем накопления порцию газовой смеси с содержанием пробного газа и регистрируют при помощи средства измерения концентрации пробного газа повышение концентрации пробного газа в воздухе объема накопления, об интенсивности переноса пробного газа в объеме накопления и газообмена между объемом накопления и окружающей его атмосферой судят по изменению концентрации пробного газа в объеме накопления со временем, отличающийся тем, что через равные промежутки времени вводят в объем накопления расчетное количество равных порций газовой смеси с содержанием пробного газа, а значения промежутков времени между вводами порций, объемов порций, расчетного количества равных порций газовой смеси с содержанием пробного газа, концентрации пробного газа в газовой смеси с содержанием пробного газа и суммарного давления газовой смеси с содержанием пробного газа в порциях выбирают на основании значения потока пробного газа в объеме накопления, требуемого для проведения тестирования испытательной системы при контроле герметичности по накоплению при атмосферном давлении, при этом об интенсивности переноса пробного газа в объеме накопления судят с учетом изменений концентрации пробного газа в объеме накопления, измеренных в промежутках между вводами порций газовой смеси, а об интенсивности воздухообмена объема накопления с окружающей атмосферой судят по отклонению повышения концентрации пробного газа в воздухе объема накопления от линейной зависимости от времени.