Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для измерения негерметичности изделий, работающих под избыточным давлением.

Известны устройства контроля негерметичности, основанные на погружении изделий в ванну с индикаторной жидкостью и заполнением их испытательным газом под давлением. При этом индикаторная жидкость находится при комнатной температуре, либо нагрета, а пространство над ванной находится при атмосферном давлении, либо вакуумировано. О негерметичности судят по интенсивности появления пузырьков газа (ГОСТ 24054-80. Методы испытания на герметичность. Общие требования). Недостатком известных устройств является то, что они дают только качественный ответ на вопрос, герметично изделие или нет. Количественную оценку течи эти устройства не обеспечивают. Кроме того, для реализации этих устройств требуется специальный стенд с ванной.

Известны устройства контроля негерметичности, основанные на использовании пузырьковой камеры и подачи в нее через дренажную трубку испытательного газа, поступающего из контрольной камеры, в которую помещено испытуемое изделие, находящееся под избыточным давлением. О негерметичности судят по интенсивности появления пузырьков газа в пузырьковой камере после стабилизации системы (ГОСТ 24054-80). Недостаток устройства состоит в отсутствии возможности количественной оценки величины течи.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в патенте РФ №2261422, G01M 3/06, 2005г.«Способ контроля герметичности изделий и устройство для его реализации (варианты)». Устройство содержит пузырьковую камеру с жидкостью и дренажную трубку, один конец которой соединен с изделием, а другой опущен в жидкость. В указанном патенте предполагается, что изделие через посредство запорной арматуры подключается к источнику испытательного газа, а само изделие находится в испытательной камере, связанной с пузырьковой камерой посредством дренажной трубки, причем испытательная камера до начала испытаний соединяется с атмосферой. Конец дренажной трубки, опущенный в жидкость, имеет плоский торец, перпендикулярный оси трубки, при этом конец трубки изогнут так, что его торец расположен под фиксированным углом 0≤α≤90° к поверхности жидкости и опущен в жидкость на глубину, которая превышает более чем в 10 раз диаметр пузырьков газа, формируемых с помощью трубки. Количественная оценка течи в приведенном прототипе основывается на том, что из дренажной трубки, имеющей заданные геометрические параметры и фиксированное положение в пузырьковой камере, при истечении образуются пузырьки газа постоянного «калиброванного» объема, подсчет которых в единицу времени определяет объемную величину утечки.

Недостатком прототипа, в силу ряда нижеприводимых причин, является невысокая точность определения утечки. К этим недостаткам следует отнести:

1) Объемный расход газа, определяемый известным устройством, не является однозначной характеристикой величины течи испытываемого изделия, т.к. объем пузырьков газа, образующихся в пузырьковой камере, зависит не только от конструкции и расположения дренажной трубки, но и от свойств среды, в которой формируются пузырьки. К таким свойствам относятся плотность, вязкость, коэффициент поверхностного натяжения жидкости, а также давление атмосферы, действующее на жидкость.

2) Получение зависимостей, позволяющих определять объемы калиброванных пузырьков газа по наружным и внутренним диаметрам и по углу расположения плоскости торца дренажной трубки, связано с проведением обширных градуировочных работ, которые должны выполняться в одинаковых условиях окружающей среды, например, по давлению и температуре. К факторам, влияющим на результаты градуировки, могут быть отнесены также сила земного притяжения (зависимость от географического места проведения градуировочных работ), химический состав жидкости, заливаемой в пузырьковую камеру, материал дренажной трубки и т.п..

3) Каждый процесс измерения при помощи градуированной дренажной трубки с количественной оценкой негерметичности испытываемого изделия должен проводиться в условиях, идентичных процессу градуировки как по свойствам жидкости в пузырьковой камере, так и по условиям окружающей среды.

4) В прототипе отсутствуют средства точного подсчета пузырьков и времени, за которое проводится этот отсчет.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения утечек газа из испытываемого изделия за счет организации калибровки массы пузырьков перед каждым измерением негерметичности, а также создания технических средств точного определения интервала времени между соседними пузырьками.

Технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для измерения негерметичности изделий, содержащее пузырьковую камеру с жидкостью и дренажную трубку, входной конец которой через первый запорный вентиль и первую трубку соединен с испытательной камерой, с расположенным в ней испытуемым изделием под давлением, задаваемым через второй запорный вентиль и вторую трубку от источника испытательного газа, третий запорный вентиль соединяет испытательную камеру с атмосферой, выходной конец дренажной трубки опущен под уровень жидкости в пузырьковой камере на расстояние, более чем в 10 раз превышающее диаметр пузырьков газа. При этом жидкость электропроводна, а в устройство дополнительно введены эталонная емкость, два запорных вентиля, один регулируемый вентиль, две трубки, соединяющие эталонную емкость с источником испытательного газа и с входным концом дренажной трубки, ловитель пузырьков, два электрода, источник электропитания, компаратор, задатчик уровня напряжения срабатывания компаратора, перекидной ключ, шесть электронных ключей, переключатель, вычислитель с четырьмя входными регистрами памяти, счетчик импульсов, два сумматора, два делителя, триггер, два таймера, четыре элемента задержки, три блока памяти, два блока сравнения, блок уставки разности давлений, датчик давления и датчик температуры, при этом эталонная емкость через третью трубку, регулируемый вентиль и четвертый запорный вентиль соединена с входным концом дренажной трубки, через четвертую трубку и пятый запорный вентиль эталонная емкость соединена с источником испытательного газа, ловитель пузырьков расположен в пузырьковой камере над выходным концом дренажной трубки, над выходным отверстием ловителя пузырьков расположены два электрода, соединенные с источником напряжения питания, один вывод источника напряжения питания заземлен, а другой соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора связан с выходом задатчика уровня напряжения срабатывания компаратора, выход компаратора соединен с входом перекидного ключа, первый выход перекидного ключа соединен с входом первого электронного ключа, выход первого электронного ключа соединен с входом счетчика импульсов и первым управляющим входом переключателя, управляющий вход первого электронного ключа также как и второй управляющий вход переключателя и управляющий вход вычислителя соединены с выходом первого блока сравнения, выход счетчика импульсов соединен с прямым входом первого сумматора, на инверсный вход которого подана единица, выход первого сумматора подан на первый вход первого делителя, второй вход первого делителя связан с выходом вычислителя, выход первого делителя соединен с входом первого блока памяти, управляющий вход блока памяти и вход «сброс» счетчика через первый и второй элементы задержки подключены к выходу первого блока сравнения, выход первого блока памяти связан со вторым входом второго делителя, выход переключателя соединен с управляющими входами второго и третьего электронных ключей, а также с входом импульсатора, информационные входы второго и третьего электронных ключей соответственно соединены с датчиками температуры и давления, находящимися в эталонной емкости, выходы указанных ключей связаны с входами первого и второго регистров памяти вычислителя, выход импульсатора подключен к управляющим входам четвертого и пятого электронных ключей, информационные входы которых соответственно соединены с выходами датчиков давления и температуры, выходы этих ключей связаны с входами третьего и четвертого регистров памяти вычислителя, выходы третьего и пятого электронных ключей, кроме того, соединены с инверсным и прямым входами второго сумматора, выход второго сумматора подан на первый вход первого блока сравнения, второй вход этого блока соединен с выходом блока уставки разности давлений, второй выход перекидного ключа соединен с входом триггера, прямой выход триггера соединен с входом «пуск» первого таймера и входом «стоп» второго таймера, инверсный выход триггера соединен с входом «стоп» первого таймера и входом «пуск» второго таймера, выход первого таймера связан с входом второго блока памяти, выход второго таймера связан с входом третьего блока памяти, входы «стоп» каждого таймера соединены с управляющими входами соответствующих им второго и третьего блоков памяти, а также через третий и четвертый элементы задержки, с входами «сброс» этих таймеров, выходы второго и третьего блоков памяти соединены с входами второго блока сравнения, выход второго блока сравнения связан с управляющим входом шестого электронного ключа, информационный вход которого соединен с выходом второго блока памяти, выход этого ключа подключен к первому входу второго делителя, выход которого является выходом устройства.

На фигуре приведена схема предлагаемого устройства измерения негерметичности изделий. Устройство состоит из пузырьковой камеры 1 с электропроводной жидкостью, в которую опущена дренажная трубка 2 на глубину, более чем в 10 раз превышающую диаметр пузырьков газа. К входному концу дренажной трубки подсоединены первый запорный вентиль 3 и первая трубка 4, которая соединена с испытательной камерой 5, с расположенным в ней испытуемым изделием 6. В изделие 6 подается испытательный газ от источника питания через второй запорный вентиль 7 и вторую трубку 8. Третий запорный вентиль 9 соединяет испытательную камеру 5 с атмосферой. Выходной конец дренажной трубки 2 опущен под уровень жидкости и над ним находится ловитель пузырьков 10. На выходе ловителя пузырьков 10 находятся два электрода 11, на которые подается напряжение с выходов источника напряжения питания 12, включающего в свой состав регулировочное сопротивление R. Эталонная емкость 13 через третью трубку 14, регулируемый вентиль 15 и четвертый запорный вентиль 16 соединена с входным концом дренажной трубки 2. Через четвертую трубку 17 и пятый запорный вентиль 18 эталонная емкость 13 соединена с источником испытательного газа. Один выход источника напряжения питания 12 заземлен, а другой соединен с первым входом компаратора 19. Второй вход компаратора 19 связан с выходом задатчика 20 уровня напряжения срабатывания компаратора. Выход компаратора 19 соединен с входом перекидного ключа 21. Первый выход перекидного ключа 21 соединен с входом первого электронного ключа 22. Выход первого электронного ключа 22 соединен с входом счетчика импульсов 23 и первым управляющим входом переключателя 24. Управляющий вход первого электронного ключа 22 также, как и второй управляющий вход переключателя 24 и управляющий вход вычислителя 25 соединены с выходом первого блока сравнения 26. Вход «сброс» счетчика 23 через первый элемент задержки 27 также соединен с выходом блока 26. Выход счетчика импульсов 23 соединен с прямым входом первого сумматора 28, на инверсный вход которого подана единица. Выход первого сумматора 28 подан на первый вход первого делителя 29. Второй вход первого делителя 29 связан с выходом вычислителя 25. Выход первого делителя 29 соединен с входом первого блока памяти 30, управляющий вход которого через второй элемент задержки 31 подключен к выходу первого блока сравнения 26. Выход первого блока памяти 30 связан со вторым входом второго делителя 32. Выход переключателя 24 соединен с управляющими входами второго 33 и третьего 34 электронных ключей, а также с входом импульсатора 35. Информационные входы второго и третьего электронных ключей соответственно соединены с датчиками температуры 36 и давления 37, находящимися в эталонной емкости 13. Выходы указанных ключей связаны с входами первого «а» и второго «Ь» регистров памяти вычислителя 25. Выход импульсатора 35 подключен к управляющим входам четвертого 38 и пятого 39 электронных ключей, информационные входы которых соответственно соединены с выходами датчиков температуры 36 и давления 37. Выходы ключей 38,39 связаны с входами третьего «a» и четвертого «d» регистров памяти вычислителя 25. Выходы третьего 34 и пятого 39 электронных ключей, кроме того, соединены с инверсным и прямым входами второго сумматора 40. Выход второго сумматора подан на первый вход первого блока сравнения 26. Второй вход блока 26 соединен с выходом блока 41 уставки разности давлений. Второй выход перекидного ключа 21 соединен с входом триггера 42. Прямой выход триггера 42 соединен с входом «пуск» первого таймера 43 и входом «стоп» второго таймера 44. Инверсный выход триггера 42 соединен с входом «стоп» первого таймера 43 и входом «пуск» второго таймера 44. Выход первого таймера 43 связан с входом второго блока памяти 45. Выход второго таймера 44 связан с входом третьего блока памяти 46. Входы «стоп» таймеров 43,44 соединены с управляющими входами соответствующих им второго 45 и третьего 46 блоков памяти, а также через третий и четвертый элементы задержки 47,48 с входами «сброс» этих таймеров. Выходы второго 45 и третьего 46 блоков памяти соединены с входами второго блока сравнения 49. Выход второго блока сравнения 49 связан с управляющим входом шестого электронного ключа 50, информационный вход которого соединен с выходом второго блока памяти 45. Выход ключа 50 подключен к первому входу второго делителя 32, выход которого является выходом устройства.

Работа устройства состоит из двух этапов. На первом этапе производится калибровка пузырьков по массе газа в них содержащихся. Для этого запорный вентиль 3 закрыт, вентиль 9 открыт, вентиль 7 закрыт.Вентиль 18 открывается для заполнения эталонной емкости 13 испытательным газом до заданного уровня давления, а затем закрывается. Газ в этот отрезок времени, натекает в эталонную емкость через трубку 17. Перекидной ключ 21 ставится в положение соединения выхода компаратора 19 с входом первого электронного ключа 22. Ключ 22 находится в нормально замкнутом состоянии. Регулируемый дроссель 15 предварительно ставится в положение, обеспечивающее пузырьковый режим истечения газа из дренажной трубки 2. После проведения указанных предварительных операций открывают запорный вентиль 16 и по трубке 14 через вентили 15, 16 газ поступает на вход в дренажную трубку 2 и пузырьки с ее выходного конца через ловитель пузырьков 10 (конической формы с отверстием на вершине, не мешающим пропуску пузырьков) проходят между электродами 11. В момент прохождения газовых пузырьков между электродами меняется омическое сопротивление электрической цепи, состоящей из электродов 11, источника напряжения 12 и проводов, их соединяющих. В результате изменения сопротивления электрической цепи меняется напряжение в этой цепи, что отслеживается компаратором 19, один вход которого соединен с незаземленным выводом источника напряжения 12. На другой вход компаратора 19 подан уровень напряжения срабатывания компаратора от задатчика 20. При изменении напряжения в цепи электродов на величину большую, чем задана задатчиком, компаратор срабатывает и выдает электрический импульс, который определяет момент прохождения пузырька газа между электродами. С выхода компаратора 19 через перекидной ключ 21 и нормально замкнутый первый электронный ключ 22 импульс поступает на вход счетчика 23 и первый вход переключателя 24. Счетчик 23 начинает счет импульсов. Переключатель 24 по первому пришедшему импульсу со своего выхода выдает постоянный сигнал на управляющие входы второго и третьего нормально разомкнутых электронных ключей 33, 34. Эти ключи замыкаются и передают информацию о температуре и давлении с выходов датчиков 36, 37, расположенных в эталонной емкости, в первый «a» и второй «b» регистры памяти вычислителя 25. Через указанные входы вычислителя на него поступает текущая информация от датчиков температуры и давления. Кроме того, постоянный сигнал с выхода переключателя 24 поступает на вход импульсатора 35, который преобразует этот постоянный сигнал в импульсный. Импульсный сигнал с выхода импульсатора 35 поступает на управляющие входы четвертого и пятого нормально разомкнутых электронных ключей 38, 39. Во время существования этого импульсного сигнала ключи 38, 39 замкнуты и соединяют выходы датчиков температуры и давления 36, 37 с входами третьего «a» и четвертого «b» регистров памяти вычислителя 25. Тем самым запоминаются начальные значения температуры и давления газа в эталонной емкости на этапе калибровки пузырей.

По мере истечения газа из эталонной емкости 13 давление в ней падает и изменяется температура. Эти изменения измеряются датчиками температуры и давления 36, 37 и через замкнутые электронные ключи 33, 34 непрерывно поступают на входы первого «а» и второго «b» регистров памяти вычислителя 25. Количество пузырьков, выходящих из дренажной трубки, подсчитывается счетчиком 23. На прямом входе второго сумматора 40 за счет импульсного замыкания пятого электронного ключа 39 запоминается величина давления газа в эталонной емкости в начале этапа калибровки. Т.к. третий электронный ключ 34 замкнут постоянным сигналом с выхода переключателя 24, то на инверсный вход сумматора 40 поступает текущее значение давления в эталонной емкости, измеряемое датчиком давления 37. Образующаяся разность давления с выхода сумматора 40 поступает на один из входов первого блока сравнения 26. На второй вход блока сравнения 26 с блока уставки разности давлений 41 подается сигнал уставки давления ΔР, выбранный из условий минимизации погрешности измерения падения давления в эталонной емкости. Как только сигнал разности давлений с выхода второго сумматора 40 сравняется с величиной сигнала ΔР с блока уставки разности давлений 41, первый блок сравнения 26 вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на первый электронный ключ 22 и размыкает его. Счетчик 23 останавливает счет импульсов, соответствующих числу пузырьков газа, прошедших между электродами 11, и через некоторое время, задаваемое первым элементом задержки 27 сбрасывается. Этот же сигнал приходит на второй вход переключателя 24 и обнуляет его выходной сигнал. В результате этого электронные ключи 33, 34 размыкаются. На первом и втором регистрах памяти вычислителя 25 фиксируются величины температуры и давления в эталонной емкости в конце этапа калибровки. Кроме того, сигнал с выхода первого блока сравнения 26 поступает на управляющий вход вычислителя 25, чем инициирует вычисление массы газа, утекшего из эталонной емкости, по записанным в начале и конце этапа калибровки величинам температуры, давления и известному объему эталонной емкости. Расчет производится по термодинамическим формулам.

Результат расчета массы утекшего газа в качестве делимого поступает на один из входов первого делителя 29. На другой вход этого делителя через сумматор 28 поступает информация о количестве интервалов между пузырями, подсчитанными счетчиком 23. Для этого сумматор 28 из числа пузырьков, насчитанных счетчиком, вычитает единицу. На делителе 29 производится операция деления массы утекшего газа на число полученных интервалов, в результате чего определяется масса газа в одном пузырьке. С выхода делителя 29 сигнал поступает на вход первого блока памяти 30. Запись в этот блок информации о массе пузырька выполняется с некоторой задержкой, необходимой для проведения указанных вычислений. Задержка обеспечивается вторым элементом задержки 31, который получает входной сигнал с выхода первого блока сравнения 26. На этом этап калибровки пузырьков заканчивается.

На втором этапе, зная массу пузырька, хранящуюся в первом блоке памяти 29, количественно определяют негерметичность изделия (величину течи). Для этого делают следующие предварительные операции. Запорный вентиль 16 закрывают. Вентиль 7 открывают и подают испытательный газ в испытуемое изделие. Вентиль 3 открывают. Вентиль 9 закрывают. Перекидной ключ 21 ставят в положение соединения выхода компаратора 19 с входом триггера 42. При открытых вентилях 3,7 и закрытых вентилях 9,16 газ в случае негерметичности изделия 6 поступает в испытательную камеру 5, а из нее по трубке 4 через вентиль 3 в дренажную трубку 2, а затем через ловитель пузырьков 10 на электроды 11. Возникающие при этом импульсы напряжения поступают на вход компаратора 19, сравниваются на нем с уровнем напряжения срабатывания, задаваемого задатчиком 20 и с выхода компаратора поступают на вход триггера 42. С прямого выхода триггера 42 идут нечетные импульсы, с инверсного -четные. Нечетные импульсы поступают на вход «пуск» первого таймера 43 и на вход «стоп» второго таймера 44. Четные импульсы поступают на вход «стоп» таймера 43 и на вход «пуск» таймера 44. С выхода таймера 43 информация о промежутке времени между нечетными и четными импульсами, получаемая таймером 43, записывается во второй блок памяти 45. Информация о промежутке времени между четными и нечетными импульсами, получаемая таймером 44, записывается в третий блок памяти 46. Через некоторое время, заданное элементами задержки 47, 48, после получения соответствующих сигналов «стоп», таймеры 43, 44 поочередно сбрасываются.

Сигналы с выходов блоков памяти 45, 46 поступают на вход второго блока сравнения 49. До тех пор, пока не установится стабильный режим истечения испытательного газа через дренажную трубку, интервалы между следующими один за другим пузырьками будут не одинаковые и таймеры 43, 44 будут определять разное время. Поэтому на входах блока сравнения 49 будут разные сигналы и он не сработает. Как только наступит режим установившегося истечения сигналы на входах блока сравнения 49 станут равными, он сработает и на выходе выдаст сигнал, который замкнет шестой электронный ключ 50 в результате чего информация о промежутке времени между двумя соседними импульсами (пузырьками) с выхода второго блока памяти 45 в качестве делителя поступит на один из входов второго делителя 32. Т.к. на другом входе этого делителя была информация о массе одного пузырька, то на выходе делителя 32, т.е. на выходе устройства получится величина массового расхода газа через течь.

Данный способ был опробован на действующем макете при измерении искусственно создаваемых негерметичностей экспериментальной емкости. Сравнение результатов измерения утечек газа при одинаковой степени негерметичности экспериментальной емкости не отличались более чем на 0,2%, что соответствовало точности измерительных приборов, используемых при испытании.