СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ Советский патент 2008 года по МПК G01M3/02 

Предлагаемое изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для испытаний на герметичность изделий, работающих под внутренним избыточным давлением в вакууме, например отсеков и пневмогидравлических систем космических аппаратов (КА).

Современные крупногабаритные КА имеют в своем составе до нескольких десятков элементов конструкции (отсеков, баков, магистралей, трубопроводов, контейнеров и т.п.), каждый из которых имеет согласно технической документации самостоятельную допустимую негерметичность в широком диапазоне величин (например, от 0,01 до 20 л·мкм рт.ст./с) и подлежит автономным испытаниям на герметичность в составе полностью собранного КА. Обычно такие комплексные испытания на герметичность КА проводятся в вакуумной камере, при этом в процессе испытаний поочередно определяют фактическую негерметичность каждого герметичного элемента конструкции. Чувствительность таких испытаний должна быть достаточно высокой, например, не хуже 0,005 л·мкм рт.ст./с.

Комплексные испытания герметичности крупногабаритных КА занимают значительное время - от 4 до 8 суток.

Причем наиболее критичными из-за значительной продолжительности являются окончательные испытания герметичности КА на космодроме, где время, отведенное для подготовки КА к пуску, крайне ограничено.

Известен способ контроля герметичности изделий методом "вакуумирования" в вакуумной камере сравнением с контрольной течью, описанный в отраслевом стандарте ОСТ 92-1527-73.

Указанный способ заключается в том, что испытуемое изделие помещают в вакуумную камеру и вакуумируют ее до давления не выше 5·10^-3 мм рт.ст. Затем, сравнивая изменение концентрации контрольного газа гелия в вакуумной камере после подачи в нее эталонного потока контрольного газа (от контрольной течи, известной величины) и изменение концентрации контрольного газа в вакуумной камере после заполнения контрольным газом испытуемого изделия, определяют величину негерметичности изделия. Изменение концентрации контрольного газа в вакуумной камере измеряют с помощью течеискателя, подсоединенного к форвакуумному коллектору между механическими и пароструйными насосами вакуумной камеры, при рабочем давлении в камере масс-спектрометра течеискателя 2·10^-4 мм рт.ст. (или, например, 350 мка по магнитному вакуумметру течеискателя ПТИ-7А).

Способ имеет два варианта. Вариант "а" способа отличается тем, что после вакуумирования вакуумной камеры до заданного давления отключают механический насос системы откачки вакуумной камеры и, открыв полностью дроссельный вентиль Ду-32 течеискателя, пропускают весь вакуумируемый газовый поток через течеискатель.

Поскольку максимальный потребляемый течеискателем газовый поток составляет 2 л·мкм рт.ст./с, то вариант "а" способа может быть применен только для испытаний изделий, имеющих суммарный поток газоотделения и негерметичности не более 2 л·мкм рт.ст./с. Этот недостаток варианта "а" способа не позволяет применять его для испытаний герметичности КА, газоотделение которых составляет от 3000 до 15000 л·мкм рт.ст./с.

Вариант "б" способа отличается тем, что после вакуумирования вакуумной камеры до заданного давления механический насос системы откачки вакуумной камеры не отключают и, открывая дроссельный вентиль Ду-32 течеискателя не полностью, пропускают через течеискатель только часть вакуумируемого газового потока. Это позволяет применять вариант "б" способа для испытаний герметичности крупногабаритных КА, имеющих значительное газоотделение (до 15000 л·мкм рт.ст./с и более). Однако основным недостатком данного варианта способа является то, что он имеет чувствительность, худшую, чем это требуется для испытаний герметичности отдельных элементов крупногабаритного КА в вакуумных камерах большого объема, и эта чувствительность зависит от конструкции системы откачки вакуумной камеры. Например, для вакуумной камеры СМ-702-135р-2Б объемом 340 м³ чувствительность испытаний данным вариантом способа составляет 0,5-0,8 л·мкм рт.ст./с при требуемой 0,005 л·мкм рт.ст./с.

Поэтому вариант "б" способа не мог быть использован для испытаний герметичности КА нашего предприятия при подготовке их к пуску.

За прототип авторами принят способ контроля герметичности изделий в вакуумной камере методом сравнения с потоком от контрольной течи, изложенный в производственной инструкции П11829-092 РКК "Энергия".

Способ заключается в том, что помещают изделие в вакуумную камеру и вакуумируют последнюю, сообщают вакуумную камеру с камерой масс-спектрометра предварительно включенного течеискателя, подают в вакуумную камеру эталонный поток контрольного газа (от контрольной течи), прекращают вакуумирование вакуумной камеры и измеряют по течеискателю приращение концентрации контрольного газа в вакуумной камере (приращение показаний течеискателя) от эталонного потока контрольного газа по достижении в камере масс-спектрометра течеискателя рабочего давления 2·10^-4 мм рт.ст. (соответствующего показаниям вакуумметра 350 мка у течеискателя ПТИ-7А), продолжают вакуумирование вакуумной камеры и прекращают подачу в вакуумную камеру эталонного потока, затем заполняют изделие контрольным газом, прекращают вакуумирование вакуумной камеры и измеряют по течеискателю приращение концентрации контрольного газа в вакуумной камере от негерметичности изделия (при том же рабочем давлении в камере масс-спектрометра), по измеренным приращениям концентраций контрольного газа судят о герметичности изделия.

Прототип имеет следующие недостатки. Ввиду того, что на практике чувствительность течеискателя зависит от давления в камере масс-спектрометра, и рабочее давление 2·10^-4 мм рт.ст. в камере масс-спектрометра выбирается лишь примерно в зоне давлений, при которых чувствительность течеискателя максимальна, и, учитывая, что в данном способе испытаний давление в камере масс-спектрометра растет после прекращения вакуумирования вакуумной камеры за счет потока газоотделения и натекания в последнюю, невозможно определить точное давление в камере масс-спектрометра течеискателя, соответствующее его максимальной чувствительности в данной схеме испытаний, т.е. используются не все возможности течеискателя по чувствительности в данной схеме испытаний. (Давление в камере масс-спектрометра, соответствующее максимальной чувствительности, не оговаривается в техдокументации на течеискатель, и оно может изменяться в каком-то диапазоне при каждой настройке течеискателя и в зависимости от характеристик конкретной вакуумной камеры). Кроме того, при испытаниях многоэлементных крупногабаритных КА, в связи с тем, что многократно приходится прекращать и вслед за этим продолжать вакуумирование вакуумной камеры при измерениях для каждого испытуемого элемента (измерение одного и того же приращения концентрации проводятся трехкратно), продолжительность испытаний на герметичность в вакуумной камере чрезмерно возрастает и составляет, как уже упоминалась выше, от 4 до 8 суток.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности с одновременным ускорением процесса контроля герметичности изделий масс-спектрометрическим течеискателем в вакуумной камере, преимущественно при заключительных комплексных испытаниях герметичности КА перед пуском.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что вакуумируют вакуумную камеру, сообщают вакуумную камеру с камерой масс-спектрометра течеискателя, подают в вакуумную камеру эталонный поток контрольного газа, измеряют приращение показаний течеискателя, прекратив подачу эталонного потока в вакуумную камеру, заполняют изделие контрольным газом, вновь измеряют приращение показаний течеискателя и по измеренным приращениям показаний течеискателя судят о герметичности изделия, после сообщения вакуумной камеры с камерой масс-спектрометра течеискателя вакуумирование последней осуществляет с помощью вакуумной камеры, перед подачей эталонного потока контрольного газа в вакуумную камеру подают в последнюю дополнительный поток контрольного газа, величину которого устанавливает равной величине требуемой чувствительности контроля, затем подают тарированный поток азота непосредственно в камеру масс-спектрометра течеискателя и, изменяя величину этого потока, изменяют давление в камере масс-спектрометра, снимая при этом показания течеискателя, измеряют величину давления в камере масс-спектрометра течеискателя, соответствующую максимальному показанию течеискателя, затем прекращают подачу в вакуумную камеру дополнительного потока контрольного газа и далее в процессе контроля поддерживают постоянной вышеуказанную измеренную величину давления в камере масс-спектрометра и непрерывно вакуумируют вакуумную камеру.

Осуществление предлагаемого способа производится следующим образом. На чертеже показана схема установки, с помощью которой может быть реализован способ.

Изделие 1 помещают в вакуумную камеру 2, которую вакуумируют с помощью вакуумных насосов 3 до давления не выше 5·10^-3 мм рт.ст.

Течеискатель 4 включают предварительно и выводят на рабочий режим, причем в ловушку 5 течеискателя заливают жидкий азот. Сообщают вакуумную камеру 2 с камерой масс-спектрометра 6 течеискателя 4, для чего полностью открывают вентиль Ду-32 (поз.7 на чертеже) течеискателя. Поскольку вакуумные насосы 8 течеискателя продолжают свою работу и, кроме того, азотная ловушка 5 течеискателя работает как криогенный насос, в камере масс-спектрометра устанавливается равновесное давление, которое ниже давления в вакуумной камере и составляет (1÷3)·10⁵ мм рт.ст. (или, например, 40÷80 мка по магнитному вакуумметру 9 течеискателя ПТИ-7А). Затем вакуумирование камеры масс-спектрометра осуществляют с помощью вакуумной камеры, для чего отключают от камеры масс-спектрометра насосы 8 течеискателя, закрыв вентиль Ду-32 (поз.10 на чертеже), вентили 11, 12, 13 течеискателя при этом открыты, а вентиль 14 закрыт; азотная ловушка 5 продолжает работать как криогенный насос. Давление в камере масс-спектрометра после отключения насосов течеискателя повышается и устанавливается на уровне 1·10^-4÷9·10^-5 мм рт.ст. (т.е. продолжает оставаться ниже, чем давление в вакуумной камере), что соответствует 180-200 мка по вакуумметру 9 течеискателя ПТИ-7А.

Таким образом, в камеру масс-спектрометра организуется направленный поток газа из вакуумной камеры за счет молекулярного течения и диффузии, который был бы меньше, если бы к камере масс-спектрометра были подключены также и насосы течеискателя.

Далее подают в вакуумную камеру дополнительный поток контрольного газа, например, с помощью регулируемой контрольной течи 15, величину которого устанавливают равной величине требуемой чувствительности контроля герметичности изделия, например, 0,005 л·мкм рт.ст./с для многоэлементных КА.

Затем с помощью регулируемого натекателя 16 подают тарированный поток газифицированного азота, содержащий минимальное количество гелия (меньшее, чем в атмосферном воздухе), непосредственно в камеру масс-спектрометра.

Натекатель 16 подбирают таким образом, чтобы тарированный поток регулировался в диапазоне от нуля до предельно допустимой величины, которая создавала бы в камере масс-спектрометра в данной схеме испытаний давление, близкое к предельному рабочему давлению в камере масс-спектрометра, при котором срабатывает блокировка катода масс-спектрометра и последний отключается. Выбор такого диапазона необходим для обеспечения возможности плавного изменения величины тарированного потока азота и исключения превышения рабочего давления в камере масс-спектрометра. При этом вначале натекатель 16 находится в закрытом положении и, постепенно открывая его (т.е., изменяя тарированный поток азота от нуля до предельно допустимой величины), изменяют давление в камере масс-спектрометра течеискателя от установившейся ранее величины 1·10 ^-4÷9·10^-5 мм рт.ст. до величины, близкой к предельному рабочему давлению (2,5÷3)·10^-4 мм рт.ст. (400-450 мка для ПТИ-7А).

Одновременно с изменением давления в камере масс-спектрометра снимают показания течеискателя по его прибору 17 и, когда будет зарегистрировано максимальное показание течеискателя L_max, измеряют соответствующую ему величину давления Р_αmax в камере масс-спектрометра по вакуумметру 9.

Таким образом, обеспечивается использование максимальной чувствительности течеискателя в конкретной схеме испытаний.

При этом разбавление в камере масс-спектрометра анализируемого газа из вакуумной камеры тарированным потоком азота (для создания давления Р_αmax с некоторым понижением в камере масс-спектрометра концентрации контрольного газа) осуществляется в меньшей степени, чем это было бы при работающих насосах течеискателя, за счет присутствия в данном случае в камере масс-спектрометра большей доли газа из вакуумной камеры в смеси газов в камере масс-спектрометра, создающей в последней давление P_αmax. В результате количество контрольного газа, попадающего из вакуумной камеры в камеру масс-спектрометра, увеличивается и достигается требуемая высокая чувствительность контроля.

Затем прекращают подачу в вакуумную камеру дополнительного потока контрольного газа, перекрыв контрольную течь 15, и далее в течение всего процесса испытаний изделия (всех элементов КА) поддерживают постоянной измеренную ранее величину давления P_αmax в камере масс-спектрометра, регулируя тарированный поток азота в камеру масс-спектрометра 6 с помощью натекателя 16. До конца испытаний вакуумную камеру вакуумируют непрерывно.

Далее подают в вакуумную камеру эталонный поток контрольного газа от регулируемой контрольной течи 18, величина которого Q_кт выбирается в зависимости от допустимой величины негерметичности Q_доп. элемента конструкции изделия, подлежащего контролю, в пределах 0,05Q_доп.≤Q_кт≤10Q_доп. После этого измеряют приращение (увеличение) показаний Δα_кт течеискателя по прибору 17 вследствие повышения концентрации контрольного газа в вакуумной камере от эталонного потока контрольного газа (от контрольной течи 18) и прекращают подачу эталонного потока в вакуумную камеру. После того, как показания течеискателя восстановятся вследствие удаления контрольного газа из вакуумной камеры в результате продолжающегося вакуумирования последней, заполняют изделие контрольным газом до требуемого испытательного давления. Для достижения большей точности определения величины негерметичности изделия целесообразно, чтобы контрольный газ в дополнительном и эталонном потоках, а также в изделии был одной и той же концентрации (например, 5%-гелиево-воздушная смесь). После выдержки, необходимой для образования равномерной концентрации контрольного газа в изделии и для образования установившегося потока контрольного газа через сквозные микродефекты в конструкции изделия, измеряют приращение показаний Δα_изд. течеискателя по прибору 17 вследствие повышения концентрации контрольного газа в вакуумной камере от негерметичности изделия. По измеренным приращениям показаний течеискателя определяют негерметичность изделия Q_изд. по известной формуле

Использование предлагаемого способа дает следующий положительный эффект:

- время, необходимое для проведения комплексных испытаний на герметичность крупногабаритных КА, сокращается с 4÷8 до 2,5÷5 суток, что позволяет соответственно сократить продолжительность подготовки КА к пуску;

- вследствие сокращения времени испытаний и непрерывности вакуумирования сохраняется ресурс работы оборудования вакуумной камеры (особенно вакуумных затворов), сокращаются расходы на ремонт оборудования;

- с увеличением чувствительности испытаний появляется возможность исследования изменений величины фактической негерметичности отсека или магистрали КА на различных этапах его изготовления и подготовки к пуску, что позволяет выявить тенденцию роста негерметичности и принять соответствующие меры на более раннем этапе;

- с увеличением чувствительности повышается качество испытаний на герметичность и, соответственно, надежность работы КА.

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для испытаний на герметичность изделий, работающих под внутренним избыточным давлением в вакууме. Сущность: изделие помещают в вакуумную камеру и вакуумируют ее. Вакуумную камеру сообщают с камерой масс-спектрометра течеискателя. Подают в вакуумную камеру эталонный поток контрольного газа. Измеряют приращение показаний течеискателя. Прекращают подачу эталонного потока. Заполняют изделие контрольным газом вновь. Производят измерение приращения показаний течеискателя, по которым судят о герметичности изделий. При этом, после сообщения вакуумной камеры с камерой масс-спектрометра течеискателя, вакуумируют последнюю. Перед подачей эталонного потока контрольного газа в вакуумную камеру в нее подают дополнительный поток контрольного газа, величина которого соответствует требуемой чувствительности контроля. Затем подают тарированный поток азота непосредственно в камеру масс-спектрометра, снимая при этом показания течеискателя. Измеряют давление в камере масс-спектрометра. Прекращают подачу дополнительного потока контрольного газа. Поддерживают постоянной величину давления в камере масс-спектрометра. Технический результат: увеличение чувствительности с одновременным ускорением процесса контроля. 1 ил.

Способ контроля герметичности изделий, заключающийся в том, что изделие помещают в вакуумную камеру, вакуумируют ее, сообщают с камерой масс-спектрометра течеискателя, подают в вакуумную камеру эталонный поток контрольного газа, измеряют приращение показаний течеискателя, прекращают подачу эталонного потока, заполняют изделие контрольным газом вновь, производят измерения приращения показаний течеискателя, по которым судят о герметичности изделий, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности с одновременным ускорением процесса контроля, после сообщения вакуумной камеры с камерой масс-спектрометра течеискателя, вакуумируют последнюю, перед подачей эталонного потока контрольного газа в вакуумную камеру подают в последнюю дополнительный поток контрольного газа, величина которого соответствует требуемой чувствительности, контроля, затем подают тарированный поток азота непосредственно в камеру масс-спектрометра, снимая при этом показания течеискателя, измеряют давление в камере масс-спектрометра, прекращают подачу дополнительного потока контрольного газа, поддерживают постоянной величину давления в камере масс-спектрометра.