способ проверки герметичности незамкнутых объемов

Формула изобретения

1. Способ проверки герметичности незамкнутых объемов, включающий измерения параметров смеси газов на входе и на выходе из незамкнутого объема, при этом в качестве параметров измеряют температуру газов и концентрацию не менее одного из них в смеси и/или давление газов и концентрацию не менее одного из них в смеси и о герметичности объема судят по времени достижения концентрации газа на выходе из него, равной концентрации газа на входе после резкого изменения температуры или давления газа на входе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что данные измерений давления, температуры и концентрации усредняют по выбранным промежуткам времени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для контроля герметичности незамкнутых полых изделий, например, в космической технике, а именно при проверке герметичности участков трубопроводов пневмогидравлических систем в условиях существенного изменения температуры, а также к области трубопроводного транспорта и может найти применение для обнаружения места утечки перекачиваемого продукта из трубопроводов в полых кожухах, защитных оболочках и каналах.

Известен способ проверки герметичности замкнутых объемов, описанный в GB 1376236 [1] 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 известного способа является необходимость поддержания температуры окружающей среды в период проверки герметичности на постоянном уровне, что не всегда возможно. Кроме того, данным способом можно контролировать герметичность только замкнутых объемов.

Известен способ проверки герметичности замкнутых объемов, включающий создание в проверяемом замкнутом объеме V заданного давления газа, замер давления в начале Р _н и в конце Р_к установленного промежутка времени _к, при этом одновременно с определением начального давления Р_н измеряют начальную температуру Т_н газа в замкнутом объеме, измеряют в конце установленного промежутка времени _к одновременно с измерением давления газа Р_к температуру Т_к ; затем определяют суммарную массовую утечку газа G _к и в случае выполнения соотношения G_к <G_зад считают проверяемый замкнутый объем герметичным, при этом G_к и _к удовлетворяют соотношениям:

где временной шаг

G_зад - заданная степень герметичности замкнутого объема V;

В - удельная газовая постоянная;

Р, Т - предельные абсолютные погрешности определения давления и температуры соответственно (RU 2273010 [2]).

Недостатком известного способа является то, что с его помощью можно контролировать герметичность только замкнутых объемов. Кроме того, точность определения герметичности не очень высока, поскольку значения измеряемых, т.е. имеющих приближенное значение, переменных (давление, температура), а также массовой утечки газа, определяются по результатам косвенных измерений.

Известен способ испытания полых (незамкнутых) изделий на герметичность, заключающийся в полном погружении изделия с подсоединенной емкостью в жидкость, повышении в нем давления с последующим визуальным контролем появления пузырьков, при этом емкость имеет одно отверстие со стороны подсоединения к изделию и уменьшает свой объем по мере увеличения глубины погружения в жидкость (RU 2175118 [3]). Недостатком известного способа является то, что незамкнутые изделия, подвергаемые проверке, необходимо герметизировать. Кроме того, поскольку испытуемые изделия погружаются в воду, то проверять длинномерные изделия, такие как трубопроводы, данным способом весьма затруднительно.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ определения места утечки продукта из трубопроводов в полых оболочках и кожухах, включающий контроль газа в воздухе, продуваемом в канале между контролируемым трубопроводом и его оболочкой с помощью детектора, установленного на конце контролируемого участка. При обнаружении детектором факта утечки продукта скорость продувки изменяют, чем обеспечивается скачкообразное изменение концентрации продукта утечки в продуваемом воздухе, затем фиксируют время, прошедшее с момента изменения скорости продувки до момента обнаружения детектором скачкообразного изменения концентрации продукта утечки в продуваемом воздухе. Расстояние от детектора до места утечки определяют как произведение этого времени и скорости продувки воздуха (RU 2192580 [4]).

Недостатком известного способа является сложность его реализации, заключающаяся в том, что контролируемый трубопровод необходимо окружать герметичной оболочкой, которая также нуждается в проверке, соответственно, если трубопровод находится под землей или в другом труднодоступном месте, то его проверка выливается в достаточно трудоемкое и дорогостоящее мероприятие.

Заявляемый в качестве изобретения способ проверки герметичности незамкнутых объемов направлен на упрощение его реализации и связанное с этим снижение трудозатрат и стоимости.

Указанный результат достигается тем, что способ проверки герметичности незамкнутых объемов включает измерения параметров смеси газов на входе и на выходе из объема, при этом в качестве параметров измеряют температуру газов и концентрацию не менее одного из них в смеси или давление газов и концентрации не менее одного из них в смеси и о герметичности системы судят по времени достижения концентрации газа на выходе из системы, равной концентрации газа на входе после резкого изменения температуры или давления газа на входе.

Указанный результат достигается также тем, что на входе и выходе газовой системы одновременно измеряют температуру и давление находящихся в системе смеси газов и концентрацию не менее одного из них.

Указанный результат достигается также тем, что данные измерений давления, температуры и концентрации усредняют по выбранным промежуткам времени.

Как показали теоретические расчеты и проведенные на их основе натурные эксперименты, если через длинномерный незамкнутый объем, например трубопровод, прокачивать смесь газов и измерять на входе в проверяемый объем и на выходе из него температуру газов и концентрацию хотя бы одного газа из входящих в смесь, то можно вынести суждение о герметичности проверяемого объема. Это основано на следующих положениях.

Если в замкнутом объеме находится смесь газов, то количество молекул каждого газа остается постоянным, и, следовательно, пропорции по массе, в которых газы находятся в смеси, то есть концентрации газов, нельзя изменить, меняя давление или температуру газов в объеме. Это следует из уравнения состояния газа Д.И.Менделеева. Таким образом, если в замкнутом объеме, в котором находится смесь газов, в течение некоторого времени изменится концентрация одного из них, то это значит, что нарушена герметичность объема. Действительно, если объем заполнен одним газом, то:

где Р, V, Т, М - давление, объем, температура, масса газа в объеме,

R₀ - универсальная газовая постоянная,

- масса моля газа.

Для смеси, состоящей из n газов, имеющих температуру Т и находящихся в объеме величиной V, уравнение (1) имеет вид:

Пусть

M₁+M ₂+...М_i+...+М_п =М_см;

М_i=С _iМ_см.

Тогда

Ясно, что

Это вытекает из определения концентрации. Уравнение (4) верно как для герметичного объема, так и для негерметичного.

Для герметичного объема (если V=const), то M _i=const и М_об.=const. Изменение Р или Т согласно (2) и (3) не приводит к изменению C _i. В случае, когда происходит утечка из объема, изменяется одна из составляющих (3), что приводит к изменению всех остальных составляющих. В случае, когда происходит натекание в объем, в (3) появляется новая составляющая С_j, что приводит к изменению всех остальных составляющих. Время т _нат., за которое концентрация одного из компонентов смеси C_i в случае негерметичности объема изменится на существенную величину С_i |C|, может характеризовать его негерметичность. Рационально принять, что

Пусть на вход некоторого длинного незамкнутого объема начинают подавать смесь газов, имеющую температуру Т _нач. и концентрации компонент C₁, C₂,...С_i,...С _n. Пусть через некоторое время Т_Суст. на выходе из объема смесь будет иметь температуру Т _кон. и такие же концентрации компонент. При отсутствии негерметичностей между входом в объем и выходом из него время T_Суст. определяется только внешними факторами и геометрией объема. Оно может быть рассчитано или определено экспериментально. Обозначим его т^г _Суст.(Т_нач.; Т_кон. ). Поменяем резко температуру газовой смеси на входе, а потом придадим ей исходное значение. Начиная с этого момента понадобится некоторое время, чтобы на выходе из объема газовая смесь снова имела температуру Т Т_кон. и состав, не отличающийся от состава на входе. Если между входом в объем и выходом из него имеются негерметичности, то, исходя из положений приведенных выше, следует, что время, которое необходимо для того, чтобы на выходе из объема газовая смесь снова имела температуру Т Т_кон. и состав, не отличающийся от состава на входе, не будет равно т^г _Суст.(Т_нач.; Т_кон. ). Обозначим его т^нг _Суст. (Т_нач.; Т_кон.). Возможны следующие случаи. Натекания так значительны, что при Т Т_кон. концентрации компонент смеси на выходе сильно отличаются от концентраций на входе

С_i>>|С|

Будет наблюдаться условие

т^нг _Суст. (Т_нач.; Т_кон.)>>т ^г _Суст.(Т_нач. ; Т_кон.)

Если имеются сравнительно небольшие натекания, то при Т Т_кон. наступление условия C_i |С| будет наблюдаться при выполнении через время т ^нг _Суст.(Т_нач. ; Т_кон.), удовлетворяющее условию

[т^нг _Суст.(Т _нач.; Т_кон.) - т^г _Суст.(Т_нач.; Т _кон.)]/т^г _Суст. (Т_нач.; Т_кон.)=N

Если N=10^-1...10^-2 , можно говорить о значимой негерметичности.

Таким образом, мы видим, что о герметичности незамкнутого объема, в который подается газовая смесь, можно судить, определяя температуры на входе в объем и выходе из него и концентрацию на входе и выходе не менее одного из газов, входящих в смесь, после резкого изменения температуры газовой смеси на входе, в том числе в случае начала напуска газа.

Из (3) ясно, что в ряде случаев суждение о герметичности системы можно иметь, если измерять на входе и выходе не температуру газов, а их давление и концентрацию одного из входящих в смесь газов и изменять соответственно не температуру газовой смеси, а давление, которое, как и температура, входит в качестве одного из параметров в уравнение состояния.

Как показали опыты, для незамкнутых объемов для достижения более точного определения герметичности, в некоторых случаях реализации способа целесообразно осуществлять измерения не пары «температура - концентрация» или «давление - концентрация», а всей триады «температура - давление - концентрация». В частности, в ряде случаев на входе и выходе могут одновременно изменяться и температура и давление. В этих случаях величину N целесообразно определять при Т Т_кон и Р Р_кон..

Для того чтобы повысить достоверность получаемых результатов с тем, чтобы устранить влияние флуктуаций, вызванных различными факторами, целесообразно фиксировать данные измерений давления, температуры, концентрации через определенные промежутки времени, например, несколько секунд или десятков секунд, и усреднять по нескольким выбранным подряд промежуткам.

Сущность заявляемого способа проверки герметичности незамкнутых объемов поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором представлена принципиальная схема проведения контроля герметичности.

Пример 1. К испытуемому изделию 1 подсоединяют источник смеси газов 2, например, смеси «аргон (95%) - кислород (5%)», создающего необходимое давление для прокачки газа через изделие. В качестве такого источника может быть использован компрессор, баллон со сжатой смесью и т.д. Прокачиваемая смесь выходит из изделия в атмосферу. На входе изделия 1 известным образом устанавливают средство измерения температуры 3, давления 4 и концентрации одного из газов 5. В качестве средства измерения температуры 3 могут быть использованы термопары, термометры сопротивления и т.д. В качестве измерителя давления 4 могут быть использованы механические, электронные, электронно-механические или иные манометры. В качестве средства измерения концентрации 5 могут быть использованы химические, электрохимические, тепловые, оптические, хроматографические и иные устройства, выбираемые из числа известных. На выходе испытуемого изделия также устанавливаются средства измерения температуры 3, давления 4 и концентрации 5, аналогичные установленным на входе. Средства измерения температуры, давления и концентрации соединены с блоком регистрации и обработки 6, в качестве которого может быть использован персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением.

Способ реализуется следующим образом. На вход изделия 1 (пусть это будет, например, металлокерамический корпус мощного электронного прибора) подают от источника 2 под некоторым давлением смесь газов, измеряют температуру и/или давление и концентрацию одного из газов на входе в изделие и на выходе из него. После того как измеряемые параметры, после завершения переходных процессов, связанных с запуском системы, стабилизируются, осуществляют резкое изменение температуры и/или давления газа на входе и фиксируют время, когда концентрация одного из газов на выходе из системы станет равной концентрации этого газа на входе в систему. Например, если используется смесь «аргон (95%) - кислород (5%)», то таким контрольным газом может быть выбран кислород. Если закачиваемая в изделие смесь поступает в него и выходит из него равномерно, то есть M_об. =const (см. выше), то в случае герметичности изделия резкое изменение температуры и/или давления смеси на входе не приведет к изменению концентрации кислорода в ней на выходе. Полученные в процессе измерений величины

С_{кислород}<<|С|=0,0005 и т _Суст. 0

являются свидетельством герметичности системы. Если закачиваемая в изделие смесь поступает в него и/или выходит из него неравномерно, то необходимо рассчитать или определить экспериментально время установления на выходе из изделия исходной концентрации кислорода (5%) после резкого изменения температуры и/или давления смеси на входе т^г _Суст.(Т_нач, Р_нач ; Т_кон, Р_кон). Как правило, легко установить из практики эксплуатации подобных изделий верхний предел для т^г _Суст. (Т_нач, Р_нач; Т _кон, Р_кон)=МАХ[т^г _Суст.(Т_нач, Р _нач; Т_кон, Р_кон )]. Его и следует принимать за т^г _Суст.(Т_нач, Р_нач ; Т_кон, Р_кон). Для примера для изделия, о котором шла речь выше, это время не может быть более 10 сек. Тогда измеренные в ходе испытаний N (см. выше) или т^нг _Суст.(Т _нач, Р_нач; Т_кон , Р_кон) позволяют судить о герметичности изделия. Для нашего примера изделия, если т^нг _Суст.(Т_нач. Р _нач; Т_кон, Р_кон )>11 с, изделие не герметично. Преимущества предлагаемого способа хорошо видны для нашего примера изделия. Процесс проверки герметичности может быть совмещен с другими технологическими процессами изготовления электронного прибора (тренировка, калибровка и т.д.), что позволяет существенно сократить технологический цикл изготовления изделий.

Пример 2. Способ осуществлялся по общей схеме, описанной в примере 1. В качестве испытуемого изделия использовался трубопровод, представляющий из себя отрезок металлической трубы длиной 2 метра и диаметром 0,01 метра (элемент топливной системы автомобиля, работающего на компримированном природном газе). Труба с помощью герметичного гибкого шланга соединялась с источником газа, в качестве которого была использована кассета с топливными баллонами, который обеспечивал постоянное давление на входе. На выходе создавалось переменное давление (при работе двигателя). В качестве смеси газов использовался природный газ, содержащий 90% метана. Перед входом в трубу в гибком шланге через загерметизированные отверстия был введен блок с п/п датчиком температуры, пьезодатчиком давления и оптическим датчиком концентраций. Аналогичным образом такие же средства измерения помещались в гибкий шланг, надетый на выходе трубы. В качестве контрольного газа использовался метан. Давление на входе в трубу после завершения переходных процессов составило 200 атмосфер, температура 40°С, концентрация метана 90% (по массе). После этого было создано резкое изменение температуры на входе газа в трубу. В течение 20 секунд температура газа с 40°С была повышена до 110°С (случай торможения двигателем). После скачка температуры концентрация контрольного газа составила на входе 90% и была достигнута на выходе через 5 секунд при его температуре 50°С. На основании этого был сделан вывод, что изделие полностью герметично. Указанное устройство в данном примере имеет то преимущество, что для контроля герметичности газовых трубопроводов топливной системы применяются те же средства, что и для управления газовой топливной системой.

Пример 3. Способ реализовался так, как описано в примере 2, за исключением того, что в стенке испытуемой трубы с помощью лазера было выполнено отверстие диаметром 200 мкм. После того как было создано резкое изменение температуры на входе газа в трубу, концентрация контрольного газа составила на входе 90% и была достигнута на выходе через 40 секунд при его температуре 45°С. На основании этого был сделан вывод, что изделие имеет нарушение герметичности.

Пример 4. Способ осуществлялся по общей схеме, описанной в примере 1. В качестве испытуемого изделия использовался отрезок металлической трубы длиной 2 метра и диаметром 0,01 метра (элемент топливной системы автомобиля, работающего на компримированном природном газе). Труба с помощью герметичного гибкого шланга соединялась с источником газа, в качестве которого была использована кассета с топливными баллонами, который обеспечивал постоянное давление на входе. На выходе создавалось переменное давление (при работе двигателя). В качестве смеси газов использовался природный газ, содержащий 90% метана. Перед входом в трубу в гибком шланге через загерметизированные отверстия был введен блок с п/п датчиком температуры, пьезодатчиком давления и оптическим датчиком концентраций. Аналогичным образом такие же средства измерения помещались в гибкий шланг, надетый на выходе трубы. В качестве контрольного газа использовался метан. Давление на входе в трубу после завершения переходных процессов составило 200 атм, температура 40°С, концентрация метана 90% (по массе). После этого было создано резкое изменение давления на входе газа в трубу. В течение 2 секунд давление газа с 200 атм было снижено до 100 атм (отключено несколько топливных баллонов). После скачка давления концентрация контрольного газа составила на входе 90% и была достигнута на выходе через 3 секунды при его давлении 100 атм. На основании этого был сделан вывод, что изделие герметично.

Пример 5. Способ реализовался так, как описано в примере 4, за исключением того, что в стенке испытуемой трубы с помощью лазера было выполнено отверстие диаметром 200 мкм. После того как было создано резкое изменение давления на входе газа в трубу, концентрация контрольного газа составила на входе 90% и была достигнута на выходе через 35 секунд при давлении 99,5 атм. На основании этого был сделан вывод, что изделие имеет нарушение герметичности.

Пример 6. Способ осуществлялся по общей схеме, описанной в примере 1. В качестве испытуемого изделия использовался отрезок металлической трубы длиной 2 метра и диаметром 0,01 метра (элемент топливной системы автомобиля, работающего на компримированном природном газе). Труба с помощью герметичного гибкого шланга соединялась с источником газа, в качестве которого была использована кассета с топливными баллонами, который обеспечивал постоянное давление на входе. На выходе создавалось переменное давление (при работе двигателя). В качестве смеси газов использовался природный газ, содержащий 90% метана. Перед входом в трубу в гибком шланге через загерметизированные отверстия был введен блок с п/п датчиком температуры, пьезодатчиком давления и оптическим датчиком концентраций. Аналогичным образом такие же средства измерения помещались в гибкий шланг, надетый на выходе трубы. В качестве контрольного газа использовался метан. Давление на входе в трубу после завершения переходных процессов составило 200 атм, температура 40°С, концентрация метана 90% (по массе). После этого было создано резкое изменение давления и температуры на входе газа в трубу. В течение 2 секунд давление газа с 100 атм было повышено до 200 атм (подключены несколько баллонов), а температура в течение 20 секунд с 49 до 110°С. После скачка температуры и давления концентрация контрольного газа составила на входе 90% и была достигнута на выходе через 4 секунды при температуре 97°С и давлении 199 атм. На основании этого был сделан вывод, что изделие герметично.

Пример 7. Способ реализовался так, как описано в примере 6, за исключением того, что в стенке испытуемой трубы с помощью лазера было выполнено отверстие диаметром 200 мкм. После того как было создано резкое изменение давления и температуры на входе газа в трубу, концентрация контрольного газа составила на входе 86% и была достигнута на выходе через 32 секунды при температуре 93°С и давлении 195 атм. На основании этого был сделан вывод, что изделие имеет нарушение герметичности.