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 по утечке конденсирующихся газов, например хладагентов, с получением количественных характеристик негерметичности, выполняется настройка, определение чувствительности и метрологическая оценка газоаналитической аппаратуры.

Известны жидкостные контрольные течи (ОСТ 134-1052-2010. Общие технические требования). Течи контрольные, заправленные рабочими или технологическими средами изделий ракетно-космической техники, корпус которых заполняется контрольной средой - жидкостью. Заправка выполняется заливом жидкости в корпус, который затем герметизируется дуффузионно-проницаемым элементом. Поток контрольной среды после герметизации через диффузионно-проницаемый элемент обеспечивается за счет перепада между внутренним давлением насыщенных паров жидкости в корпусе контрольной течи и внешним атмосферным давлением. Недостатком такой течи будет большая погрешность воспроизведения эталонного потока, так как изменение атмосферного давления постоянно влечет изменение эталонного потока течи. Кроме того, в такую течь трудно заправить газы, например хладагенты, с большим давлением насыщенных паров, которые хранятся в специальных баллонах.

Для получения стабильного потока пробных газов используется тянутый стеклянный капилляр, устанавливаемый герметично в корпус контрольной течи (ОСТ 92-2125-87. Контрольные течи. Технические условия), который представляет собой металлический баллон с заправочным клапаном. Корпус заполняется пробным газом от стандартного баллона с пробным газом на специальной установке. Однако недостатком является то, что если в качестве пробного газа или контрольной среды используются легкоконденсирующиеся газы или хладагенты, то при заполнении ими капиллярной течи газ может сконденсироваться в процессе эксплуатации в микроканале капилляра. В этом случае поток пробного газа через капилляр может прекратиться или значительно изменить свое значение.

Технической проблемой настоящего изобретения является повышение надежности и работоспособности контрольной течи, заправленной легко конденсирующимся пробным газом, обеспечение стабильности потока пробного газа при проведении контроля герметичности и повышение точности воспроизводимого эталонного потока контрольной течи.

Для решения технической проблемы предлагается способ изготовления контрольной капиллярной течи, заключающийся в вытягивании стеклянного капилляра с получением требуемого потока пробного газа в рабочем диапазоне давления течи, установки и герметизации его в корпусе контрольной течи, вакуумировании внутренней полости течи и заполнении ее пробным газом, согласно изобретению при заполнении внутренней полости течи контролируется температура заполнения пробного газа и выбирается давление заполнения из условия не превышения давления конденсации пара пробного газа в капилляре при температуре заполнения, для чего допустимое значение давления заполнения P_З рассчитывается по формуле

,

где

P_З - допустимое давление заполнения, Па;

P_К - давление конденсации пара пробного газа в капилляре, Па;

P_Н - давление насыщенных паров пробного газа при температуре заполнения T_З, определяется по графику зависимости давления насыщенных паров пробного газа от температуры, Па;

M - молярная масса пробного газа, кг/моль;

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости в контакте со стенками капилляра, Н/м;

Θ - угол смачивания (краевой) в контакте жидкости со стенками капилляра;

ρ - плотность жидкой фазы пробного газа, кг/м³,

R=8,314 - универсальная газовая постоянная, Дж/(К⋅моль);

T_З - температура заполнения, К;

d - диаметр проходного отверстия капилляра, м.

Отличительным признаком предложенного способа изготовления контрольной течи является то, что контролируется температура заполнения и выбирается диапазон давления заполнения течи пробным газом из условия не превышения давления конденсации паров пробного газа в капилляре при температуре заполнения.

Сравнение заявляемого технического решения - способа изготовления капиллярной 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».

Предлагаемое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема заполнения контрольной течи пробным газом, а на фиг. 2 изображен график зависимости давления насыщенных паров пробного газа от температуры, по которому определяется давление насыщенных паров при температуре заполнения контрольной течи.

Для контрольных капиллярных течей, изготавливаемых согласно ОСТ 92-2125-87, рабочий диапазон давления пробного газа составляет 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 от 2,0 (P_min) до 10,0 кгс/см² (от 19,62⋅10⁴ до 9,81⋅10⁵ Па). Рабочий диапазон температур, при которых эксплуатируются и, следовательно, заправляются контрольные течи, составляет от 15 до 35°C (ОСТ 92-0692-83. Испытания на герметичность. Требования к оснастке и помещению). Однако при заполнении контрольных течей легкоконденсирующимися газами или хладагентами, например хладоном 134а, из стандартного баллона, где часть газа находится в жидкой фазе, до максимального рабочего давления 10 кгс/см² (9,81⋅10⁵ Па), часть газа может сконденсироваться в корпусе течи в виде жидкости, так как давление насыщенных паров даже при максимальной температуре эксплуатации 35°C меньше 10 кгс/см² (9,81⋅10⁵ Па), смотри таблицу 1, где представлены значения давлений насыщенных паров хладонов 134а и 290 при соответствующих температурах («Промышленные фторорганические продукты. Справочное издание» Б.Н. Максимов, В.Г. Барабанов и др. - СПб.: Химия, 1996. - 544 с.).

В этом случае жидкость может попасть в микроканал капилляра, закупорить его и перекрыть поток газа, значение которого значительно уменьшится или прекратится совсем. Кроме того, известно, что в узких капиллярах возможна конденсация паров при давлениях, меньших значений давления насыщенного пара.

В связи с этим, при изготовлении контрольной течи капилляр при требуемом потоке подбирают таким, чтобы при заполнении течи давление газа не превышало давления конденсации пара пробного газа в капилляре при температуре заполнения, для чего допустимое значение давления заполнения P_З рассчитывается по формуле (см. «Адсорбция, удельная поверхность, пористость». Грег С., Синг К., М., Мир, 1984 г., стр. 130):

,

где

P_З - допустимое давление заполнения, Па;

P_К - давление конденсации пара пробного газа в капилляре, Па;

P_Н - давление насыщенных паров пробного газа при температуре заполнения T_З, определяется по графику зависимости давления насыщенных паров пробного газа от температуры, Па;

M - молярная масса пробного газа, кг/моль;

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости в контакте со стенками капилляра, Н/м;

Θ - угол смачивания (краевой) в контакте жидкости со стенками капилляра;

ρ - плотность жидкой фазы пробного газа, кг/м³,

R=8,314 - универсальная газовая постоянная, Дж/(К⋅моль);

T_З - температура заполнения, К;

d - диаметр проходного отверстия капилляра, м.

Для изготовления контрольной течи и заполнении ее пробным газом строится график зависимости давления насыщенных паров пробного газа от температуры (см. фиг. 2). Измеряется температура пробного газа при заполнении контрольной течи, определяется по графику при этой температуре значение давления насыщенных паров P_Н, определяется по формуле давление конденсации пара пробного газа при температуре заполнения P_К, определяется диапазон допустимого давления заполнения P_З контрольной течи P_min≤P_З≤P_К и подрезается капилляр, чтобы получить требуемый поток пробного газа в этом диапазоне давлений.

Заполнение контрольной течи осуществляется следующим образом (фиг. 1). Контрольная течь, включающая в себя 1 - капилляр, 2 - герметичный корпус течи и 3 - заправочный клапан, присоединяется через штуцер 4 к устройству для заполнения пробным газом, состоящему из 5 - датчика температуры, 6 - мановакуумметра, 7, 8, 10 - клапанов, 9 - вакуумного насоса, 11 - регулятора давления, 12 - манометра и присоединенного через штуцер 13 и клапан 14 стандартного баллона с пробным газом 15. Вакуумным насосом 9 вакуумируется внутренняя полость корпуса течи 2, контроль остаточного давления в полости осуществляется по мановакуумметру 6. Далее в корпус подается пробный газ из баллона 15 через регулятор давления 11 до требуемого значения давления, контроль температуры и давления пробного газа осуществляется по датчику температуры 5 и мановакуумметру 6 соответственно. При этом допустимое давление заполнения P_З контрольной течи пробным газом, например хладоном 134а, определяется по вышеприведенной формуле, а значение давления насыщенных паров P_Н при температуре заполнения t_З, необходимое для расчета по графику, представленному на фиг. 2, где P_НП - давление насыщенных паров пробного газа; P_Н - давление насыщенных паров пробного газа при температуре заполнения; t - температура пробного газа; t_Р - рабочий диапазон температур, при которых может эксплуатироваться контрольная течь; t_З - температура заполнения пробным газом; P_min - минимальное давление заполнения пробного газа по ОСТ 92-2125-87.

Производится выдержка для стабилизации показаний давления и температуры пробного газа, закрывается заправочный клапан 3, и течь отсоединяется от устройства для заполнения.

Таким образом, применение предлагаемого способа изготовления контрольной течи с определением необходимого диапазона давления заполнения при температуре заполнения позволит получить стабильность потока пробного газа при эксплуатации капиллярной контрольной течи, следовательно, повысит ее надежность. Особенно это важно для капилляров с ультрамалым диаметром микроканала d, как это видно из таблицы 2, на примере для хладона 134а.

Капиллярные контрольные течи со стеклянным капилляром на практике заполнялись различными пробными газами, в частности хладагентами R134a, R404a, R290, значения параметров при заполнении и полученных потоков пробного газа указаны в таблице 3.

Контрольные течи, заполненные хладонами, надежно эксплуатировались в течение межкалибровочного периода, при этом в паспорте на течь указывалось максимально допустимое давление заполнения при температуре 20°С.