Способ определения негерметичности изделий, работающих под внешним давлением и внутренним избыточным давлением

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности, к испытаниям изделий космической техники на герметичность, и может найти также применение в таких областях техники как газовое, атомное машиностроение, авиационная промышленность, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий, работающих под внешним избыточным давлением, например, пневмогидравлических систем космических аппаратов.

Известен способ определения негерметичности изделий, работающих под внешним давлением и внутренним избыточным давлением, заключающийся в том, что вакуумируют внутреннюю полость изделия через испытательную систему до установившегося давления в изделии и испытательной системе, прекращают вакуумирование, а величину негерметичности изделия (газового потока, поступающего в изделие из окружающей атмосферы) определяют по повышению давления в изделии за определенный промежуток времени («Технология сборки и испытаний космических аппаратов». Под общей редакцией проф. И.Т. Белякова и проф. И.А. Зернова, Москва, Машиностроение, 1990 г., стр. 167-168).

Недостатки способа заключаются в том, что при его использовании не учитывается собственная негерметичность испытательной системы, которая суммируется с негерметичностью изделия, ухудшая точность измерения негерметичности последнего.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения герметичности изделий, работающих под внешним давлением, заключающийся в том, что вакуумируют средствами вакуумирования внутреннюю полость изделия через испытательную систему до установившегося равновесного давления в изделии и испытательной системе, отсоединяют изделие от испытательной системы, продолжая вакуумировать испытательную систему средствами вакуумирования, измеряют первое установившееся равновесное давление в испытательной системе, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы, подсоединяют к испытательной системе калиброванную течь, измеряют установившееся равновесное давление в испытательной системе, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы и потока газа от калиброванной течи, отсоединяют от испытательной системы калиброванную течь, соединяют изделие с испытательной системой и измеряют установившееся равновесное давление, соответствующее поступлению в испытательную систему потока от негерметичности изделия и собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы, отсоединяют изделие от испытательной системы и измеряют второе установившееся равновесное давление, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы, определяют величину негерметичности изделия на основании величины потока газа от калиброванной течи, разности установившегося равновесного давления, соответствующего собственному потоку газоотделения и натекания испытательной системы совместно с потоком газа от калиброванной течи, и первого установившегося равновесного давления, соответствующего собственному потоку газоотделения и натекания испытательной системы, а также разности установившегося равновесного давления в испытательной системе, соответствующего собственному потоку газоотделения и натекания испытательной системы совместно с потоком от негерметичности изделия, и второго установившегося равновесного давления, соответствующего собственному потоку газоотделения и натекания испытательной системы (патент РФ №2457454, МПК: G01M 3/00 (2006.01), 27.07.2012).

Данный способ определения негерметичности изделий, работающих под внешним давлением и внутренним избыточным давлением, принят авторами за прототип.

Недостаток прототипа заключается в том, что он не позволяет учитывать влияние газовыделения из конструкционных материалов внутренних полостей изделия на результат определения негерметичности изделия. На практике во многих случаях изделие, работающее под внешним давлением, испытывают на герметичность на различных этапах сборки изделия, подавая также избыточное давление контрольного газа во внутреннюю полость изделия. Например, при сборке системы терморегулирования вновь образуемые стыки агрегатов и трубопроводов испытывают на герметичность по методу «щупа» с использованием пробного газа гелия и гелиевого масс-спектрометрического течеискателя, заполняя внутренние полости системы терморегулирования гелиево-воздушной смесью под избыточным давлением. В конструкции изделий применяются неметаллические материалы, способные поглощать гелий в больших количествах и позже выделять поглощенный гелий в течение длительного времени. Примером служат эластомеры, из которых изготавливают мембраны газовых компенсаторов систем терморегулирования. При вакуумировании внутренних полостей изделий, конструкционные неметаллические материалы которых выделяют в больших количествах газы, например, пробный газ гелий, возникает опасность получения завышенной оценки негерметичности изделия, и, как следствие, ложной браковки изделия на основании высокого газовыделения из неметаллических конструкционных материалов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения герметичности изделий, работающих под внешним давлением.

Техническим результатом изобретения является повышение качества испытаний за счет увеличения точности определения герметичности изделий, повышения надежности и долговечности изделий при эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения негерметичности изделий, работающих под внешним давлением и внутренним избыточным давлением, вакуумируют средствами вакуумирования внутреннюю полость изделия через испытательную систему до установившегося равновесного давления в изделии и испытательной системе, отсоединяют изделие от испытательной системы, продолжая вакуумировать испытательную систему средствами вакуумирования, измеряют первое установившееся в испытательной системе равновесное давление, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы, подсоединяют к испытательной системе калиброванную течь, подают через калиброванную течь поток газа, измеряют установившееся в испытательной системе равновесное давление, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы и потока газа от калиброванной течи, отсоединяют от испытательной системы калиброванную течь, соединяют изделие с испытательной системой и измеряют установившееся в испытательной системе равновесное давление, соответствующее поступлению в испытательную систему потока от негерметичности изделия и собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы, отсоединяют изделие от испытательной системы и измеряют второе установившееся в испытательной системе равновесное давление, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы, в качестве потока газа, который подают через калиброванную течь, используют поток воздуха, вакуумируют испытательную систему с подсоединенной калиброванной течью, при этом вакуумирование внутренней полости изделия через испытательную систему, вакуумирование испытательной системы с отсоединенным изделием и вакуумирование испытательной системы с подсоединенной калиброванной течью проводят до установившихся в испытательной системе равновесных парциальных давлений компонента воздуха, в качестве компонента воздуха выбирают газ, содержащийся в воздухе и отличный от газов, использовавшихся для заполнения внутренней полости изделия до избыточного испытательного давления при предыдущих испытаниях изделия на герметичность, производят все вышеперечисленные измерения равновесных давлений в испытательной системе, используя равновесные парциальные давления компонента воздуха, а величину негерметичности изделия определяют по формуле:

Q_изд. = Q_к.т. ⋅ (Р_{изд.+сист.} - Р_сист.2)/(Р_{сист.+к.т.} - Р_сист.1)

где Q_изд. - величина негерметичности изделия,

Q_к.т. - поток воздуха от калиброванной течи,

Р_{изд.+сист.} - установившееся равновесное парциальное давление компонента воздуха в испытательной системе, соответствующее поступлению в испытательную систему потока от негерметичности изделия и собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы и измеряемое после соединения изделия с испытательной системой,

Р_сист.2 - установившееся равновесное парциальное давление компонента воздуха в испытательной системе, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы и измеряемое после отсоединения изделия от испытательной системы,

Р_{сист.+к.т.} - установившееся равновесное парциальное давление компонента воздуха в испытательной системе, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы и потока воздуха Q_к.т. от калиброванной течи и измеряемое после подачи в испытательную систему потока воздуха Q_к.т. от калиброванной течи,

Р_сист.1 - установившееся равновесное парциальное давление компонента воздуха в испытательной системе, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы и измеряемое перед подачей в испытательную систему потока воздуха Q_к.т. от калиброванной течи.

В качестве компонента воздуха может быть использован изотоп гелия ³Не.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами (фиг. 1, фиг. 2).

На фиг. 1 представлено устройство для осуществления предложенного способа, где приняты следующие обозначения: 1 - высоковакуумный насос; 2, 3, 8 - вакуумные клапаны; 4 - изделие; 5 - испытательная система; 6 - масс-спектрометр; 7 - калиброванная течь.

На фиг. 2 (таблица) приведены результаты измерений создаваемого регулируемой течью потока воздуха по предлагаемому способу при использовании в качестве компонента воздуха изотопа гелия ³Не.

Предлагаемый способ определения негерметичности изделий, работающих под внешним давлением и внутренним избыточным давлением, осуществляется следующим образом.

Включают средства вакуумирования, в состав которых входит, например, высоковакуумный турбомолекулярный насос 1 (например, турбо-молекулярный насос TURBOVAC TW 70 Н производства компании Leybold Vacuum), открывают вакуумные клапаны 2 и 3 и вакуумируют высоковакуумным турбомолекулярным насосом 1 внутреннюю полость изделия 4 через испытательную систему 5 до установившегося равновесного парциального давления компонента воздуха в изделии 4 и испытательной системе 5, которое измеряют при помощи масс-спектрометра 6 (например, масс-спектрометр с разделением ионов в постоянном магнитном поле производства компании Leybold Vacuum, используемый в течеискателе PhoeniXL 300). Под установившимся равновесным парциальным давлением компонента воздуха может пониматься, например, давление, которое в процессе вакуумирования не меняет свое значение на некоторую величину, например, 5 %, за некоторое время, например, 15 мин. В качестве компонента воздуха может быть использован изотоп гелия ³Не, поскольку этот газ практически отсутствует в широко используемом пробном газе гелии Не промышленного производства - изотопе гелия с массой 4 атомных единицы массы, однако, присутствует в воздухе в обнаружимых количествах.

Закрывают вакуумный клапан 3 и отсоединяют таким образом изделие 4 от испытательной системы 5. При этом продолжает работать высоковакуумный турбомолекулярный насос 1, вакуумируя испытательную систему 5.

С целью последующего измерения потока компонента воздуха от заправленной воздухом калиброванной течи 7 (например, регулируемая течь Granville-Phillips 203) закрывают вакуумный клапан 2 и тем самым отсоединяют высоковакуумный турбомолекулярный насос 1 от сообщающегося с калиброванной течью 7 через вакуумный клапан 8 участок испытательной системы известного объема, а именно, применительно к фиг. 1, участок, представляющий собой внутренние полости вакуумных трубопроводов и камеры масс-спектрометра 6.

Открывая вакуумный клапан 8, подсоединяют калиброванную течь 7 к участку испытательной системы известного объема, т.е. к внутренним полостям вакуумных трубопроводов и камеры масс-спектрометра 6.

По нарастанию показаний масс-спектрометра 6 измеряют скорость нарастания парциального давления компонента воздуха, например, изотопа гелия ³Не, в участке испытательной системы 5 известного объема. С учетом измеренной скорости нарастания парциального давления компонента воздуха вычисляют значение потока компонента воздуха от калиброванной течи 7, а также потока воздуха от калиброванной течи Q_к.т..

По завершении вышеописанного измерения значения потока воздуха от калиброванной течи 7 закрывают вакуумный клапан 8 и тем самым отсоединяют калиброванную течь 7 от испытательной системы 5.

Открывают вакуумный клапан 2 и этим подсоединяют высоковакуумный турбомолекулярный насос 1 к внутреннему объему испытательной системы 5.

Вакуумируют испытательную систему 5 высоковакуумным турбомолекулярным насосом 1 до достижения первого установившегося равновесного парциального давления Р_сист.1 компонента воздуха в испытательной системе, например, изотопа гелия ³Не, измеряемого при помощи масс-спектрометра 6 и соответствующего поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы 5.

Открывают вакуумный клапан 8 и тем самым подсоединяют к испытательной системе калиброванную течь 7. При этом парциальное давление компонента воздуха по масс-спектрометру 6 возрастает, поскольку в испытательную систему начинает дополнительно поступать поток компонента воздуха от калиброванной течи 7.

Измеряют по масс-спектрометру 6 установившееся равновесное парциальное давление Р_{сист.+к.т.} компонента воздуха, например, изотопа гелия ³Не, в испытательной системе 5, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы и потока воздуха от калиброванной течи 7.

Закрывают вакуумный клапан 8 и тем самым отсоединяют от испытательной системы 5 калиброванную течь 7.

Открывая вакуумный клапан 3, соединяют изделие 4 с испытательной системой 5 и измеряют установившееся равновесное парциальное давление Р_{изд.+сист.} компонента воздуха, например, изотопа гелия ³Не, соответствующее поступлению в испытательную систему 5 потока от негерметичности изделия 4 и собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы 5.

Закрывают вакуумный клапан 3 и тем самым отсоединяют изделие 4 от испытательной системы 5, и измеряют второе установившееся равновесное парциальное давление Р_сист.2 компонента воздуха, например, изотопа гелия ³Не, соответствующее поступлению в испытательную систему собственного потока газоотделения и натекания испытательной системы 5.

Величину негерметичности изделия 4 определяют по формуле:

О_изд. = Q_к.т. ⋅ (Р_{изд.+сист.} - Р_сист.2)/(Р_{сист.+к.т.} - Р_сист.1).

При проверке предлагаемого способа на вход испытательной системы вместо изделия с неизвестным значением герметичности подключали регулируемую течь Granville-Phillips 203, настроенную предварительно на создание нескольких потоков воздуха в отвакуумированный объем, например, в интервале от 0,1 до 0,5 л⋅мкм рт.ст./с. Значения потоков выбирали таким образом, чтобы они находились в диапазоне требований к реальным пневмогидросистемам изделий. После настройки регулируемой течи производили измерение создаваемого регулируемой течью потока воздуха по предлагаемому способу, используя в качестве компонента воздуха изотоп гелия ³Не. Результаты измерений приведены в таблице (фиг. 2).

Как видно из содержания таблицы, вычисленные по предлагаемому способу значения потоков воздуха хорошо согласуются со значениями, на которые предварительно была настроена регулируемая течь, что свидетельствует о правильности предлагаемого способа.

Изложенный подход к определению герметичности испытываемого изделия позволяет получить значение фактической герметичности изделия, на которое не оказывают влияния не обусловленные негерметичностью изделия газы, содержащиеся в потоке газоотделения изделия, например, гелий, поскольку измеряемая изложенным образом негерметичность изделия не зависит от значения потока этих газов.

В предлагаемом способе повышается точность определения герметичности изделий, работающих под внешним давлением, за счет устранения систематической ошибки, обусловленной влиянием газов, содержащиеся в потоке газоотделения изделия, например, гелия, и выражающейся в получении завышенного по сравнению с допускаемым значения негерметичности изделия.

Использование предлагаемого способа позволяет за счет увеличения точности определения герметичности изделий повысить качество испытаний и, как следствие, повысить надежность и долговечность изделий в эксплуатации.

Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования.