ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ Советский патент 1995 года по МПК G01M3/16 

Изобретение относится к области испытания на герметичность вакуумных систем путем обдувания их пробным газом, отличающихся теплопроводностью от остаточных газов.

Целью изобретения является повышение чувствительности и надежности путем исключения шумовых помех и использования пироэлектрических преобразователей.

На фиг. 1 приведена схема течеискателя; на фиг.2 диаграмма пороговой чувствительности течеискателя.

В корпусе 1 термодатчика расположены нагреватель 2 и пироэлектрический преобразователь 3 в форме пластины. Последний установлен параллельно и с зазором по отношению к нагревателю 2 и своими краями укреплен на поверхности плоского теплоотвода 4, размещенного в корпусе 1 датчика. Нагреватель подсоединен к постоянному источнику 5 тока, а пироэлектрический преобразователь 3 к измерителю, выполненному в виде усилителя 6 постоянного тока, к выходу которого через входные RC-цепочки 7 и 8 подсоединен дифференциальный усилитель 9. Постоянная времени цепочки 7 меньше, а разность постоянных времени τ₂ и τ₁ цепочек 8 и 7 больше времени одноразового обдувания.

Корпус 1 датчика представляет собой латунный стакан с внутренним диаметром 30 мм, длиной 12 см. Пироэлектрический преобразователь 3 выполнен из танталата лития (LiTaO₃) с приемной поверхностью в виде диска диаметром 3 мм, толщиной 50 мкм. Вальт-ваттная чувствительность пироэлектрического преобразователя 3 в расчете на единицу площади приблизительно на 3 порядка больше, чем у металлических термосопротивлений. Края пироэлектрического преобразователя 3 (за пределами приемной поверхности) приклеены эпоксидной смолой к теплоотводу 4, так что воздушный зазор между ними образует теплоизоляцию. Толщина эпоксидного слоя 50 мкм. Нагреватель 2 установлен вдоль корпуса 1 датчика, параллельно плоскости пироэлектрического преобразователя 3, на расстоянии 7 мм от нее. Нагреватель 2 выполнен в виде слюдяной пластины толщиной 0,2 мм, шириной 12 мм, длиной 20 мм, на которую намотана с шагом 1 мм платиновая проволока диаметром 50 мкм, сопротивлением 26 Ом. На проволоку подается постоянное напряжение 4 В. При этом температура нагревателя порядка 100^оС, причем в пределах ± 15% она одинакова на всем нагревателе 2. Тепловая постоянная времени нагревателя τ_n ≈ 50^оС. Выполнение пластинки нагревателя 2 с поверхностями размерами, превышающими размеры приемной поверхности пироэлектрического преобразователя 3, способствует повышению стабильности его работы.

Сопротивления, емкости и постоянные времени RC-цепочек 7 и 8 и дифференциального усилителя 9 составляют 500 кОм, 1 и 10 мкФ, 0,5 и 5 с соответственно.

Чувствительный элемент преобразователя 3 имеет линейные размеры более 0,05 линейных размеров сечения полости корпуса, перпендикулярного пластине, а толщину менее 0,02 собственных его линейных размеров.

Электрические выводы датчика выполнены бифилярно. Заземление имеет общую точку на корпусе 1 датчика. К контролируемой системе датчик подсоединяется так, чтобы обеспечить быстрое перемешивание газа между системой и датчиком. Масса датчика 0,7 кг.

Течеискатель работает следующим образом.

Возникающее при попадании в датчик пробного газа изменение теплопроводности газовой смеси вызывает изменение теплового потока от нагревателя 2, а следовательно, и изменение температуры пироэлектрического преобразователя 3. Поскольку пироэлектрический преобразователь 3 является сегментоэлектриком, в нем возникает изменение момента поляризации, и в результате импульс тока.

По электрическим проводам, припаянным к имеющимся на обеих поверхностях пироэлектрического преобразователя 3 тонким металлическим покрытиям (контактам), сигнал поступает на вход усилителя 6 постоянного тока, а с его выхода сигнал через RC-цепочки 7 и 8 поступает на входы дифференциального усилителя 9. При этом наличие RC-цепочек 7 и 8 и дифференциального усилителя 9 исключает прохождение сигналов от шумовых помех с постоянной времени большей, чем постоянная времени τ₂ цепочки 8. Коэффициент усиления схемы по напряжению составляет -2 ˙ 10². Усилитель построен на интегральных микросхемах К544УД2.

Пороговая чувствительность течеискателя определяется шумами пироэлектрического преобразователя 3 и флюктуациями теплового потока, вызванными флюктуациями давления и газоотделения в испытуемой вакуумной системе. При давлениях 0,01-0,05 мм рт.ст. и времени обдувания τ_об 5 с она соответствует скорости натекания воздуха 10^-5 10^-4 мм рт.ст./1 ч.

На фиг.2 представлена диаграмма пороговой чувствительности. В этом эксперимента к датчику объемом 50 см³ подсоединена металлическая трубка диаметром 10 мм и длиной 0,4 м, в которой имеется негерметичность на расстоянии 0,4 м от датчика. Давление 40 мкм рт.ст. скорость натекания воздуха 10 мкм рт. ст. Обдувание гелием проводят после прекращения откачки с расстояния 1 см. В этих условиях постоянная времени прохождения гелия от места течи до датчика меньше 1 с. т.е. значительно меньше времени одноразового обдувания t_об. 3-5 с, и потому оказывается возможным непосредственно определить пороговую чувствительность. Установлено, что при обдувании непосредственно в место течи сигнал увеличивается в 4-5 раз. В этом случае пороговая чувствительность течеискателя к скорости натекания воздуха составляет 0,02-0,04 мкм рт. ст. что соответствует изменению концентрации гелия за время обдува 5 с приблизительно 10^-5-10^-4

Изобретение относится к области контроля герметичности изделий и позволяет повысить чувствительность и надежность обнаружения газообразного вещества в месте утечки. В корпусе 1 закреплен нагреватель 2. Пироэлектрический преобразователь 3 в виде пластины закреплен на теплоотводе 4 через слой теплоизоляции. Измеритель соединен с преобразователем 3 и выполнен в виде усилителя 6 постоянного тока и подсоединенного к его выходу через RC-цепочки 7 и 8 дифференциального усилителя 9 с разными входными постоянными времени. Пробный газ попадает в корпус 1 и изменяет теплопроводность газа и температуру теплового потока. При этом изменяется момент поляризации сегнетоэлектрика пироэлектрического преобразователя 3, и импульс тока поступает на усилители 6 и 9. RC-цепочки исключают прохождение паразитных сигналов с постоянной времени большей, чем большая входная постоянная времени усилителя 9. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ, содержащий корпус, закрепленные на нем нагреватель с подсоединенным к нему источиком постоянного тока и термодатчик и соединенный с последним измеритель, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности обнаружения течей методом обдувания, термодатчик выполнен в виде пироэлектрического преобразователя, имеющего форму пластины, закрепленной на корпусе через слой теплоизоляции, а измеритель выполнен в виде усилителя постоянного тока и подсоединенного к его выходу через RC-цепочки дифференциального усилителя с разными входными постоянными времени. 2. Течеискатель по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен полым, термодатчик и нагреватель размещены в его полости так, что пластина преобразователя параллельна рабочей поверхности нагревателя, линейные размеры чувствительного элемента преобразователя выбраны более 0,05 линейных размеров сечения полости корпуса, перпендикулярного пластине, а толщина чувствительного элемента выбрана менее 0,02 его линейных размеров. 3. Течеискатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что чувствительный элемент пироэлектрического преобразователя выполнен из танталата лития.