способ проверки герметичности замкнутых объемов
Классы МПК: | G01M3/02 с помощью жидких и газообразных веществ или вакуума |
Автор(ы): | Корнилов Владимир Александрович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2004-01-20 публикация патента:
27.03.2006 |
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в космической технике, а именно при проверке герметичности участков трубопроводов пневмогидравлических систем в условиях существенного изменения температуры. Изобретение направлено на повышение точности определения величины утечки и возможность обеспечения автоматизации процесса проверки герметичности замкнутых объемов за счет использования информации о давлении и температуре, получаемой с помощью изобретения. Этот результат обеспечивается за счет того, что способ включает создание в проверяемом замкнутом объеме V заданного давления газа, замер давления в начале Рн и в конце Рк установленного промежутка времени к. При этом одновременно с определением начального давления Рн измеряют начальную температуру Тн газа. Измеряют в конце установленного промежутка времени к одновременно с определением давления газа Р к температуру Тк. Определяют суммарную массовую утечку газа Gк и в случае выполнения соотношения G к<Gзад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом Gк и к должны удовлетворять соотношениям, приведенным в формуле изобретения. 2 ил.
Формула изобретения
Способ проверки герметичности замкнутых объемов, включающий создание в проверяемом замкнутом объеме V заданного давления газа, замер давления в начале Рн и в конце Рк установленного промежутка времени к, отличающийся тем, что одновременно с определением начального давления Рн измеряют начальную температуру Тн газа в замкнутом объеме, измеряют в конце установленного промежутка времени к одновременно с определением давления газа Р к температуру Тк, затем определяют суммарную массовую утечку газа Gк и в случае выполнения соотношения Gк<Gзад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом Gк и к удовлетворяют соотношениям
Gк=V/В·(P н/Тн-Рк/Тк)/ к,
к=к· для к=1, 2,...,
где временной шаг =2V·(P·|Т н|+T·|Р н|)/(B·Gзад·Тн 2),
Gзад - заданная степень герметичности замкнутого объема V;
В - удельная газовая постоянная;
Р, T - предельные абсолютные погрешности определения давления и температуры соответственно.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области машиностроения, а точнее к способам проверки герметичности замкнутых объемов, например участков трубопроводов пневмогидравлических систем в условиях орбитального космического полета.
Известны способы проверки герметичности замкнутых объемов, например описанный в [1, с.217] и используемый для проверки герметичности пневмогидравлических систем. Способ заключается в создании в испытуемом объекте избыточного давления и в замере давления в начале и в конце установленного промежутка времени. Недостатком данного способа является необходимость достаточно большой выдержки для выравнивания температур испытываемого объекта и окружающей среды. Этот способ рекомендуется применять при проверке герметичности объектов с ограниченным испытываемым объемом, не превышающим 0,5 л [1, с.217]. Кроме того, во время испытания объектов на герметичность данным способом необходимо поддерживать температуру окружающей среды неизменной (изменение не более чем на ±2 К) с заданной точностью, что в условиях космического полета не всегда возможно.
Прототипом предложенного способа является способ проверки герметичности замкнутых объемов, описанный в [2] и включающий создание в проверяемом замкнутом объеме заданного давления газа, замеры давления в начале и в конце установленного промежутка времени. Проверяемый участок трубопровода заполняется газом наддува с заданным расходом до определенного давления. Большая негерметичность определяется по установившемуся показанию прибора, измеряющего расход. 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 прототипа является необходимость поддержания температуры окружающей среды в период проверки герметичности на постоянном уровне, что не всегда возможно в условиях космического полета. Расположение пневмогидравлической системы или отдельных его участков вне зоны, обеспечивающей заданный и контролируемый температурный режим, может приводить к температурным колебаниям в проверяемом замкнутом объеме, например, двух состыкованных кораблей, содержащих трубопровод, подлежащий проверке герметичности. Температурные колебания могут происходить, например, на каждом витке орбитального космического полета и вызваны изменением освещенности проверяемого замкнутого объема Солнцем.
Техническим результатом, получаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность применить способ проверки герметичности замкнутых объемов в условиях существенного изменения температуры газа в контролируемом замкнутом объеме и тем самым повысить точность определения величины утечки.
Поставленная задача достигается способом проверки герметичности замкнутых объемов, включающим создание в проверяемом замкнутом объеме V заданного давления газа, замер давления в начале Рн и в конце Pк установленного промежутка времени к, отличающимся тем, что одновременно с определением начального давления Рн измеряют начальную температуру Тн газа в замкнутом объеме, измеряют в конце установленного промежутка времени к одновременно с измерением давления газа Рк температуру Тк; затем определяют суммарную массовую утечку газа Gк и в случае выполнения соотношения G к<Gзад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом Gк и к удовлетворяют соотношениям:
Gзад - заданная степень герметичности замкнутого объема V;
В - удельная газовая постоянная;
Р, T - предельные абсолютные погрешности определения давления и температуры соответственно.
Значения измеряемых, т.е. имеющих приближенное значение, переменных (давление, температура), а также массовой утечки газа, определяемой по результатам косвенных измерений, будем отмечать курсивом. Размерности всех величин соответствуют Международной системе единиц: к, [с]; V [м3]; Pн, Рк, Р [Па]; Тн, Тк, Т [К]; В [Дж/(кг·К)]; Gк, Gзад [кг/с].
Задание временного шага , удовлетворяющего соотношению (3), объясняется тем, что выбор установленного промежутка времени к< при изменении контролируемых параметров в пределах погрешностей применяемой датчиковой аппаратуры может привести к искажению результатов реальной утечки газа из контролируемого замкнутого объема. Использование соотношения (3) позволяет избежать ошибки в определении величины утечки, поскольку при шаге, меньшем предлагаемого в изобретении, в результате погрешностей значений переменных недопустимая утечка может быть не выявлена. Особенно эта ситуация опасна для автоматизированной системы управления, если в алгоритме режима проверки герметичности не учтено это обстоятельство.
В качестве конкретного примера на фиг.1 изображен фрагмент функционально-пневмогидравлической схемы, реализующей предлагаемый способ, а на фиг.2 приведены результаты конкретных расчетов, поясняющих суть способа.
В схему на фиг.1, в частности, входят участок трубопровода 1, заключающий проверяемый замкнутый объем 2, и ограниченный клапаном 3 и клапаном наддува 4 регулятор давления газа наддува 5, регулятор расхода газа наддува 6, являющийся частным случаем расходомера, так как обеспечивает стабильный массовый расход газа, датчики давления 7 и температуры 8 газа, газовая магистраль 9, система управления 10, получающая информацию с датчиков.
Способ проверки герметичности замкнутых объемов реализуется следующим образом.
После встречи и стыковки на орбите двух кораблей (на чертеже не показаны) образуется совместный участок трубопровода 1, заключающий проверяемый замкнутый объем 2. Замкнутый объем 2 ограничен клапаном 3, находящимся в положении "закрыто", и клапаном наддува 4 в объединенной для двух состыкованных кораблей функционально-пневмогидравлической системе. На вход регулятора давления газа наддува 5 подается сжатый газ, имеющий произвольное давление, но заведомо большее уставки регулятора давления газа наддува 5, который приобретает на выходе стабильное заданное давление. Регулятор расхода газа наддува 6 при наличии на входе газа со стабильным давлением обеспечивает протекание по газовой магистрали 9 газа со стабильным расходом. Система управления 10 получает информацию о положении клапана наддува 4, а также датчиков давления 7 и температуры 8 газа наддува на участке трубопровода 1 и выдает, по результатам анализа поступившей информации, команды на исполнительные органы управления клапаном наддува 4. После открытия клапана наддува 4 давление в проверяемом участке трубопровода 1 плавно нарастает благодаря стабильному расходу газа, задаваемому регулятором давления газа наддува 5 и регулятором расхода 6. Если величина негерметичности проверяемого участка трубопровода 1 превышает расход газа наддува или равна ему, то давление по показаниям датчика давления 7 в проверяемом участке трубопровода 1 не растет, т.е. проверяемый участок трубопровода 1 не герметичен, и системой управления 10 подается команда исполнительным органам клапана наддува 4 на его закрытие, прекращая тем самым дальнейшую утечку газа. Если величина негерметичности проверяемого участка трубопровода 1 меньше расхода газа наддува, то, когда давление в нем достигает заданной величины уставки, регистрируемой датчиком давления 7, системой управления 10 подается команда исполнительным органам клапана наддува 4 на его закрытие. В результате чего проверяемый участок трубопровода 1 представляет уже замкнутый объем 2, который подлежит дальнейшему исследованию на герметичность. После закрытия клапана наддува 4 и создания в проверяемом замкнутом объеме 2 заданного давления газа начинается режим проверки герметичности замкнутого объема 2. По информации с датчиков давления 7 и температуры 8, поступающей в систему управления 10, определяют в замкнутом объеме 2 начальное давление Рн и начальную температуру Тн газа.
Считаем известными предельные абсолютные погрешности измерений давления Р и температуры T с помощью датчиков давления 7 и температуры 8. Считаем известной степень герметичности замкнутого объема Gзад, которая задается конструктором, исходя из условия обеспечения работоспособности изделия. После чего по выражению (3) определяем временной шаг .
Периодически, через временной шаг , в конце установленного промежутка времени к, удовлетворяющего соотношению (2), по показаниям датчиков давления 7 и температуры 8 и передаваемых системе управления 10 определяется одновременно давление Рк и температура Тк, определяется суммарная утечка газа Gк по соотношению (1). В случае выполнения соотношения Gк <Gзад считаем проверяемый замкнутый объем 2 герметичным.
Для надежности результатов определения герметичности проверяемого замкнутого объема 2 датчики давления 7 и температуры 8 могут быть задублированы. Кроме того, информация с датчиков давления 7 и температуры 8, поступающая с частотой опроса f в систему управления 10, берется не менее 3-х раз [1, с.217] для определения среднего арифметического значения массы газа в замкнутом объеме 2 в начале и в конце установленного промежутка времени к. Частота опроса f контролируемых параметров известна, она зависит от свойств системы управления 10 и, очевидно, в этом случае должна удовлетворять соотношению 1/f< к [4, с.123].
Выражение (1) получено с использованием уравнения Клапейрона-Менделеева для идеального газа [3, с.151]
где Р - давление газа, Па;
V - объем газа, м 3;
М - масса газа, кг;
В - удельная газовая постоянная, Дж/(кгК);
Т - температура, К.
Из выражения (4) определяем массу газа в замкнутом объеме
Используя выражение (5), можно определить утечку газа из замкнутого объема V как убыль массы газа за установленный промежуток времени к по выражению
где переменные Рн, Тн и Рк , Тк - соответственно давление, температура в начале и в конце установленного промежутка времени к. Подставив измеряемые значения переменных Р н, Тн, Рк, Тк, соответственно обозначенных курсивом как Рн, Тн, Р к, Тк, в (6), получаем соотношение (1) для определения массовой утечки Gк (Gк, вычисленная по результатам измерений, отмечена курсивом).
За чувствительность контроля герметичности предлагаемым способом принимаем погрешность определения Gк как функции переменных Рн , Тн, Рк, Тк на временном интервале , для которого показания датчиков давления и температуры находятся в пределах погрешности измерения этими датчиками, т.е. принимаем Рк=Рн, Тк=Тн.
В соответствии с теорией погрешностей [5, с.132], считая известными предельные абсолютные погрешности для значений переменных Р н, Тн, Рк, Тк, малых по сравнению с соответствующими переменными и соответственно равных Р н, Т н, Р к, Т к, определим предельную абсолютную погрешность G, удовлетворяющую соотношению |Gк-Gк|G. G равна сумме произведений модулей частных производных функции Gк (6) по переменным Рн, Тн, Рк, Тк на предельную абсолютную погрешность соответствующего значения переменной [5, с.132]
Поскольку значения измеряемых температур и давлений в проверяемом замкнутом объеме больше их предельных абсолютных погрешностей, то (7) можно записать в виде
Измерение давления и температуры в начале и в конце рассматриваемого промежутка времени производится одними и теми же датчиками, поэтому считаем предельные абсолютные погрешности для значений переменных Рн, Рк и Тн, Тк соответственно равны Р и Т. Тогда выражение (7') после преобразований имеет вид
Проводим контроль герметичности с чувствительностью, равной заданной степени герметичности, т.е. принимаем G=G зад, откуда из выражения (8) получаем соотношение (3) для временного шага
Приведем конкретный пример реализации предложенного способа проверки герметичности замкнутых объемов. В качестве газа наддува используем одноатомный газ гелий, удельная газовая постоянная которого равна отношению газовой постоянной к атомной массе, т.е. В=2077 Дж/(кгК). Принимаем контролируемый замкнутый объем V=10-2 м 3.
После закрытия клапана наддува 4 и создания в проверяемом замкнутом объеме 2 заданного давления газа начинается режим проверки герметичности замкнутого объема 2. Измеряем в замкнутом объеме 2 начальное давление и начальную температуру газа соответственно датчиками давления 7 и температуры 8 (после обработки информации в системе управления 10, например, получили Рн=2·106 Па, Тн=300 К). Считаем, что давление и температура газа в замкнутом объеме 2 определена с известной предельной абсолютной погрешностью (для давления Р=2·10 4 Па, для температуры T=2 К). Задана степень герметичности замкнутого объема Gзад =10-7 кг/с. После чего по выражению (3) определяем временной шаг
Через временной шаг в конце установленного промежутка времени к=к (к=1,2,...) снимаем показания с датчиков давления 7 и температуры 8 и передаем системе управления 10. После соответствующей обработки этой информации, предположим, имеем для к=1 к==1,07·10 4 с следующие значения переменных: Рк=19,8·10 5 Па, Тк=303 К. Определяем суммарную утечку газа Gк для установленного промежутка времени к, воспользовавшись выражением (1). Откуда получаем для Gк=V/В(P н/Тн-Рк/Тк)/ к=10-2/2077(2·10 6/300-19,8·105/303)/1,07·10 47,3·10 -8 кг/с. Откуда получаем Gк<Gзад .
Поскольку соотношение (3) получено при вышеуказанных предположениях, убедимся в верности полученного результата, аналогично повторив для к=2 к=к=2,14·10 4 с. Предположим, получили Рк=19,6·10 5 Па, Тк=306 К. Откуда Gк6,6·10 -8 кг/с < Gзад.
Таким образом, имеем неоднократное (как правило не более 2-3 раз) подтверждение соотношения Gк<Gзад, поэтому можно считать проверяемый замкнутый объем 2 удовлетворяющим условиям по герметичности.
Нужно отметить, что значение временного шага сравнимого или большего отношения начальной массы газа (М н) в замкнутом объеме 2 к Gзад говорит о недопустимо большой погрешности измерения контролируемых параметров при использовании данной датчиковой аппаратуры.
Можно считать датчиковую аппаратуру приемлемой по величине погрешности измерения контролируемых параметров, если удовлетворяется соотношение <M н/Gзад. В нашем случае, определив из (5) Мн=РнV/(ВТ н)=2·10610 -2/(2077300)=3,2·10 -2 кг, видно, что =1,07·10 4 с намного меньше Мн/Gзад=3,2·10 -2/10-7=3,2·105 с.
Приведем расчетный случай, когда неверный выбор временного шага может привести к искажению результатов проверки герметичности замкнутого объема. Будем сравнивать истинные значения массовой утечки газа (Gк) с определяемыми по косвенным измерениям утечками (Gк), являющимися в общем случае приближенными значениями Gк. Примем предельные абсолютные погрешности измерения давления Р=2·10 4 Па и температуры Т=2 К, а Gзад=10-7 кг/с. Предположим определили начальное давление Рн=2·106 Па и Т н=300 К, примем их за истинные значения переменных Рн и Тн в начале режима проверки герметичности и будем анализировать утечку газа из замкнутого объема только по изменению параметров в конце к. Выберем временной шаг, например, =900 с, заведомо меньший полученного по выражению (3). Результаты расчетов, выполненные с использованием выражения (1), сведены в таблицу на фиг.2. В таблице на фиг.2 приведено сравнение утечки истинной с определяемой по показаниям датчиков. Здесь Рк , Тк, Gк - истинные значения соответственно давления, температуры и утечки газа в конце установленного промежутка времени к; Рк, Тк - значения переменных, полученные по показаниям датчиков для определения Gк .
Как видно из фиг.2, игнорирование условия (3) привело к искажению результатов проверки герметичности. По показанию датчиков, как видно из фиг.2, неоднократно подтверждается герметичность контролируемого замкнутого объема Gк<Gзад , но истинная утечка Gк>Gзад, т.е. замкнутый объем не герметичен.
Таким образом, предлагаемый способ проверки герметичности замкнутых объемов позволяет:
1) применить его в условиях существенного изменения температуры газа в контролируемом замкнутом объеме и тем самым повысить точность определения величины утечки;
2) автоматизировать процесс проверки герметичности замкнутых объемов с помощью системы управления, используя аналоговую информацию, поступающую с соответствующих датчиков давления и температуры;
3) избежать ошибки в определении герметичности контролируемого замкнутого объема при задании временного шага , удовлетворяющего предлагаемому соотношению;
4) использовать при проверке герметичности простое соотношение для задания временного шага;
5) дать рекомендации по выбору датчиковой аппаратуры с точки зрения допустимых погрешностей измерения контролируемых параметров.
Литература
1. Полухин Д.А., Миркин Н.Н., Орещенко В.М., Усов Г.Л. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями. М.: Машиностроение, 1978, 240 с.
2. Патент Великобритании №1376236, кл. G 01 S 3/02, 1974.
3. Б.М.Яворский и А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Наука, 1971, 940 с.
4. Г.Д.Смирнов. Управление космическими аппаратами. М.: Наука, 1978, 192 с.
5. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Издание тринадцатое, исправленное. М.: Наука, 1986, 544 с.
Класс G01M3/02 с помощью жидких и газообразных веществ или вакуума