Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления контрольной капиллярной течи

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности, к способу изготовления контрольных капиллярных течей, и может найти применение в тех областях техники, где проводится контроль герметичности изделий с целью определения места утечки потока пробного газа, а также для настройки и определении чувствительности течеискательной аппаратуры.

Для поиска мест негерметичности изделий с утечкой пробного газа в диапазоне 10^-8…10^-9 м³⋅Па/с и менее применяется течеискатели различного типа со щупом (зондом). Однако, для настройки течеискательной аппаратуры необходимы контрольные течи с потоком пробного газа в таком же диапазоне, а так как поиск течи проводится при атмосферном давлении, то и течь должна быть откалибрована при атмосферном давлении.

Известны капиллярные контрольные течи (ОСТ 92-2125-87. «Течи контрольные. Технические условия»), где для получения стабильного потока пробных газов используется тянутый стеклянный капилляр, устанавливаемый герметично в корпус контрольной течи, который представляет собой металлический баллон с заправочным клапаном. Однако недостатком данной течи является то, что поток пробного газа в диапазоне 10^-8…10^-9 м³⋅Па/с и менее не стабилен или вообще не возможен, так как капилляр перекрывается атмосферной влагой.

Известны диффузионные контрольные течи («Меры потока (течи гелиевые) Гелит 1, Гелит 2.» Паспорт ТДМКО 339.022 ПС. ДГУП НПЦ «Детектор»), которые имеют диапазон пробного газа, в основном гелия, от 3-10^-11 до 2⋅10^-8 м³⋅Па/с, однако давление пробного газа в баллоне таких течей ниже атмосферного и используют их в основном при вакуумных испытаниях для контроля суммарной герметичности изделия в вакуумной камере. Калибровка течей также проводится в вакууме. Для контроля методом щупа на диффузионную течь устанавливают специальную насадку 6.451.012 («Течеискатель гелиевый ПТИ-10.» Паспорт.1984), но при ее применении между стеклянной колбой и насадкой образуется замкнутый объем, в котором накапливается гелий. При поднесении к отверстию насадки щупа на шкале течеискателя возникает всплеск сигнала на накопленный гелий, что может неправильно интерпретироваться при испытании, а далее при удержании щупа над отверстием насадки в объеме колбы возникает разряжении и только после создания перепада, возможен поток гелия, который может не соответствовать потоку, полученному при калибровке в вакууме.

Кроме того, для течей данного типа в качестве проницаемого элемента используется кварцевое стекло, которое проницаемое только для гелия, и не проницаемо для других пробных газов.

Известна технология испытаний на герметичность (ОСТ 92-1527-85. «Изделия отрасли. Методы испытаний на герметичность с применением масс-спектрометрических течеискателей»), согласно которой испытания изделий на герметичность проводят контрольным газом (контрольной смесью), где для подачи в изделие используют, например, определенную концентрацию гелия в воздухе. В этом случае поток пробного газа и контрольной смеси через течь (негерметичность изделия) связаны формулой:

где Q_ПР - поток пробного газа, м³⋅Па/с;

Q_CM - поток контрольной смеси, м³⋅Па/с;

С - концентрация пробного газа в контрольной смеси, %.

Однако, поток газа через стеклянный капилляр контрольной течи может быть турбулентным, ламинарным, молекулярно-вязкостным и молекулярным, в связи с чем характер течения смеси газов может быть различным:

- при турбулентном истечении поток газов неустойчив;

- при ламинарном истечении смесь газов не изменяет своего состава;

- при молекулярном истечении потоки компонентов газовой смеси пропорциональны их парциальным давлениям и квадратному корню обратной величины молекулярных масс газов;

- при молекулярно-вязкостном режиме истечения молекулы более легких газов имеют большую вероятность проникновения через капилляр, в результате поток проникающего газа обогащается легкой компонентой, т.е. происходит фракционирование смеси.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение (Патент РФ №2658588, G01M 3/02), согласно которому перед заправкой контрольной течи пробным газом определяют допустимый диапазон давления газа при заправке. Но известное изобретение применимо для конденсируемых газов, где давление заполнения выбирается из условия не превышения давления конденсации пара пробного газа в капилляре при температуре заполнения.

Технической проблемой настоящего изобретения является обеспечение стабильности и устойчивости потока смеси газов при проведении контроля герметичности и повышение точности воспроизводимого эталонного потока пробного газа в контрольной смеси с нейтральным газом от контрольной течи.

Для решения технической проблемы предлагается способ изготовления контрольной капиллярной течи, заключающийся в вытягивании стеклянного капилляра с получением требуемого потока смеси газов в рабочем диапазоне давления течи, установки и герметизации его в корпусе контрольной течи, вакуумировании внутренней полости течи и заполнении ее смесью газов, отличающийся тем, что после вытягивания капилляра проводят предварительное измерение диаметра его микроканала и определяют по формуле минимальное давление заправки смеси газов, выше которого поток заправляемой контрольной смеси газов через капилляр будет ламинарным:

где P_minКC - минимальное давление заправки контрольной смеси газов, выше которого поток ее будет ламинарным, Па;

P_minГ1 - минимальное давление заправки первого газа (например, пробного), выше которого поток его будет ламинарным, Па;

P_minГ2 - минимальное давление заправки второго газа (например, нейтрального), выше которого поток его будет ламинарным, Па;

С_Г1 - концентрация первого газа в контрольной смеси, %,

при этом минимальное давление заправки каждого газа P_minГi (Па) определяется по формуле:

где k=1,38⋅10^-23 - постоянная Больцмана, Дж/К;

Т - температура газа, К;

σ_i - диаметр молекулы i-го газа, м;

d - внутренний диаметр вытянутой части капилляра, м.

Сравнение заявляемого технического решения - способ изготовления контрольной течи - с уровнем техники по научно-технической литературе и патентным источникам показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна. Следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «новизна».

Заявляемое решение может быть промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «промышленная применимость».

Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:

- предварительное измерение геометрических параметров вытянутого капилляра (внутреннего диаметра микроканала - d) перед его установкой в контрольную течь;

- определение минимального давления заправки пробным и нейтральным газом по расчетным формулам, выше которого поток заправляемой контрольной смеси газов через капилляр будет ламинарным.

Для получения стабильного потока пробного газа заполнение контрольных капиллярных течей, согласно ОСТ 92-2125-87, проводят в рабочем диапазоне давления от 19,62⋅10⁴ до 9,81⋅10⁵ Па (от 2,0 до 10,0 кгс/см²).

При изготовлении контрольной течи вытягивается стеклянный капилляр из стекла термометрического, для получения необходимого потока капилляр подрезается и определяется поток в рабочем диапазоне давления пробного газа, после чего производится заправка пробным газом до требуемого давления.

При заправке контрольной течи смесью нейтрального и пробного газов важным фактором является определение для капилляра режима течения газа, так как применительно к капилляру контрольной течи характер истечения контрольной смеси газов через капилляр может быть, как отмечено выше: турбулентным, ламинарным, молекулярно-вязкостным и молекулярным.

Учитывая, что при ламинарном истечении через капилляр смесь газов не изменяет своего состава, необходимо определить его границы, при которых поток может переходить на верхней границе ламинарного режима в неустойчивый и турбулентный режим, а на нижней - в молекулярно-вязкостный, т.е. определить максимальное и минимальное давление в корпусе течи, при которых режим истечения смеси газов через капилляр будет сохраняться ламинарным.

Устойчивое ламинарное течение (Пипко А.И. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979) имеет место при:

где Re - число Рейнольдса, которое определяется по формуле:

где m - масса молекулы газа, кг;

Q - поток газа, протекающего через капилляр, м³⋅Па/с;

k=1,38⋅10^-23 - постоянная Больцмана, Дж/К;

T - температура газа, К;

η - коэффициент динамической вязкости газа, Па⋅с;

d - диаметр выходного отверстия капилляра, м.

Ламинарный поток газа может быть оценен по формуле Пуазейля [Дэшман С. Научные основы вакуумной техники: Пер. с англ. - М: «Мир». 1964. - 715 с.]:

где P₁ и P₂ - соответственно давления в начале и конце капилляра, Па;

l - длина капилляра, м.

Сопоставив соотношения (4), (5) и (6), получим формулу для определения значения максимального давления заправки, обеспечивающее устойчивый ламинарный режим течения газа, выше которого характер течения газа становится неустойчивым и переходит в турбулентный:

где P_max - максимальное давление заправки газом, Па;

Р_СР - давление среды, в которую истекает газ из контрольной течи, Па (при истечении в вакуум Р_СР=0).

Нижняя граница ламинарного режима течения газа через капилляр характеризуется соотношением (Пипко А.И. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979):

где λ - средняя длина свободного пути молекул газа, м;

d - диаметр капилляра, м.

Средняя длина свободного пути молекул газа согласно кинетической теории может быть определена по соотношению (Пипко А.И. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979):

где σ - диаметр молекулы газа, м;

Р - давление газа, Па.

Из соотношений (8) и (9) получим формулу для определения значения минимального давления заправки, ниже которого режим течения газа переходит в молекулярно-вязкостный:

где P_min - минимальное давление заправки газом, ниже которого режим течения молекулярно-вязкостный, Па;

Из аналитических расчетов следует, что диаметр выходного отверстия капилляра для контрольных течей в диапазоне рабочих потоков газов от 10^-8 до 10^-2 м³⋅Па/с находится приблизительно в пределах от 10^-6 до 10^-5 м (от 10⁴ до ), поэтому в таблице 1 для данных диаметров представлены расчеты максимального и минимального давления заправки различных газов, которые могут быть использованы как пробные, так и нейтральные.

Как видно из таблицы 1, значение максимального давления P_max (для l=0,01 м), при котором режим течения газа переходит в неустойчивый и турбулентный поток, для всех газов превышает значение максимального давления заправки в контрольную течь, согласно

ОСТ 92-2125-87, которое составляет 1,0 МПа, поэтому в этом случае верхним пределом будет максимально-допустимое давление заправки газа в контрольную течь.

В связи с этим, при изготовлении контрольной течи для получения стабильного потока пробного газа в контрольной смеси от контрольной течи после вытягивания капилляра предварительно измеряется диаметр d микроканала вытянутой части капилляра, как представлено на фиг. 1, после чего расчетным путем по формулам (3) и (2) определяется граничное минимальное давление заправки, выше которого поток контрольной смеси газов будет ламинарным.

Тогда, в этом случае, отношения потоков пробного и нейтрального газа будут прямо пропорциональны отношению давлений заправки пробного и нейтрального газов:

где Q_ПГ - поток пробного газа, м Па/с;

Q_НГ - поток нейтрального газа, м -Па/с;

Р_ПГ - давление заправки пробным газом, Па;

Р_НГ - давление заправки нейтральным газом, Па.

Предлагаемое решение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 изображены измеряемые размеры микроканала капилляра, а на фиг. 2 изображена схема заполнения контрольной течи пробным и нейтральным газами.

Изготовление контрольной течи проводится следующим образом, после вытягивания капилляра и подрезки измеряются с применением микроскопа его геометрические размеры: внутренний диаметр микроканала d вытянутой части капилляра. После этого капилляр герметично устанавливается в корпус контрольной течи.

Заполнение контрольной течи осуществляется следующим образом. Контрольная течь, включающая в себя 1 - капилляр, 2 - герметичный корпус течи, 3 - мановакуумметр и 4 - заправочный клапан, присоединяется через штуцер 5 к устройству для заполнения газами, состоящему из 6, 9, 11, 14, 16 - клапанов, 7, 12 - мановакуумметров, 8, 13 - регуляторов давления; 10, 15 - манометров; 17 - вакуумного датчика; 18 - вакуумного насоса. Вакуумным насосом 18 откачивается внутренняя полость корпуса течи 2, контроль остаточного давления в полости осуществляется по мановакуумметру 3 и вакуумному датчику 17. В корпус подается пробный газ через регулятор давления 13 до требуемого значения давления, контроль давления пробного газа осуществляется по мановакуумметрам 3 и 12. Далее в корпус подается нейтральный газ через регулятор давления 8 до требуемого значения давления, контроль давления нейтрального газа осуществляется по мановакуумметрам 3 и 7. При этом учитывается, что минимальное давление заправки контрольной смеси P_minКC должно быть больше величины, рассчитанной по формуле (2):

где Р_minКС - минимальное давление заправки контрольной смеси газов, выше которого поток ее будет ламинарным, Па;

Р_minГ1 - минимальное давление заправки первого газа (например, пробного), выше которого поток его будет ламинарным, Па;

P_minГ2 - минимальное давление заправки второго газа (например, нейтрального), выше которого поток его будет ламинарным, Па;

С_Г1 - концентрация первого газа в контрольной смеси, %.

При этом, минимальное давление заправки первого P_minГ1 и второго P_minГ2 газа рассчитывается по формуле (3).

В качестве примера, в таблице 2 представлены значения минимального давления заправки для контрольной смеси газов гелия и азота для капилляра с диаметром выходного отверстия d=10^-5 м, рассчитанные по формуле (2), при различных концентрациях гелия в смеси, выше которого поток смеси газов будет ламинарным.

Как видно из таблицы 2, в зависимости от требуемой концентрации гелия в контрольной смеси минимальное давление заправки смеси газов находится в диапазоне минимальных значений давления заправки азота P_minN2=0,1735 МПа и гелия P_minHe=0,383 МПа, рассчитанных по формуле (3). Максимальное значение будет ограничиваться допустимым давлением заправки контрольной течи P_max=1,0 МПа. Если установить на контрольную течь мановакуумметр, то ее можно эксплуатировать до того момента, когда давление контрольной смеси в корпусе течи не достигнет минимального значения, при котором характер течения газов через капилляр будет ламинарный.

Таким образом, применение предлагаемого способа изготовления контрольной течи с определением необходимого минимального значения давления заполнения смесью газов позволит получить стабильность потока пробного газа в контрольной смеси при эксплуатации капиллярной контрольной течи и повысит точность воспроизведения потока пробного газа в контрольной смеси, следовательно, повысит и надежность проведения испытаний на герметичность.