БЫСТРОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ТЕЧЕЙ В ЖЕСТКОЙ/МЯГКОЙ УПАКОВКЕ БЕЗ ДОБАВЛЕНИЯ ПРОВЕРОЧНОГО ГАЗА
QUICK DETECTION OF LEAKS IN RIGID/FLEXIBLE PACKAGING WITHOUT TEST GAS ADDING

Изобретение относится к устройству для обнаружения течей в испытуемом образце.
Стандартным образом течи в испытуемом образце, таком как, например, упаковка продуктов питания, измеряются путем помещения испытуемого образца в испытательную камеру жесткой конструкции. В испытательной камере затем создают вакуум и измеряют потерю давления в камере после отделения камеры от насоса. Если в испытуемом образце имеется течь, то газ выходит из испытуемого образца в камеру, за счет чего давление в испытательной камере поднимается. Повышение давления измеряется и служит свидетельством наличия течи в испытуемом образце.
В случае известного способа обнаружения течи сложность состоит в том, что на давление внутри испытательной камеры влияет не только исключительно течь в испытуемом образце, но также температурные изменения в испытательной камере или десорбция газов на внутренних поверхностях испытательной камеры, в результате чего возникает измерительная погрешность при обнаружении течей. Эти негативные воздействия тем больше, чем больше объем испытательной камеры и чем выше во время измерения давление внутри измерительной камеры. По практическим причинам объем измерительной камеры не может быть уменьшен любым образом, поскольку форма, размер и количество испытуемых образцов требуют определенного объема камеры. Кроме того, давление во время измерения внутри испытательной камеры также не может быть уменьшено как угодно, так как существует опасность деформации, повреждения или вовсе разрыва испытуемого образца прежде всего в случае мягких, эластичных испытуемых образцов, таких как, например, упаковки.
Кроме того, известны испытательные камеры, в которых по меньшей мере один участок стенки и предпочтительным образом вся испытательная камера выполнена из гибкого, предпочтительным образом эластичного, материала, такого как, например, пленка. Гибкий участок стенки выполнен на участке камеры, на котором испытуемый образец находится во время измерения утечки. При сокращении давления внутри испытательной камеры гибкая стенка испытательной камеры прижимается к испытываемому образцу, за счет чего сокращается объем камеры. За счет этого сокращаются негативные влияния на результаты измерений, прежде всего изменения давления в результате температурных колебаний. Кроме того, эластичный участок стенки, прилегающий к испытуемому образцу, является опорой для испытуемого образца и предотвращает деформирование или вовсе разрыв испытуемого образца. Это является преимуществом прежде всего в случае мягких испытуемых образцов из мягкого материала, таких как, например, упаковки.
Подобные испытательные камеры, например, описаны в JP-A 62-112027, ЕР 0152981 А1 и ЕР 0741288 В1. В JP-A 62-112027 описано, что выходящий газ должен быть зафиксирован газовым детектором. В ЕР 0152981 А1 описано вакуумирование пленочной камеры, причем рассматривается разность давлений между давлением в пленочной камере и контрольным давлением внутри контрольного объема. Если эта разность давлений отличается от нуля, но течь считается обнаруженной. В 0741288 В1 в пленочную камеру подают давление и для проверки течи замеряют давление в определенной момент времени. При превышении пограничного значения течь считается обнаруженной.
В основании изобретения лежит задача создания устройства для обнаружения течей в испытуемом образце, которое делает возможным быстрое обнаружение течей.
Предлагаемое устройство для обнаружения течей в испытуемом образце содержит вакуумируемую испытательную камеру для испытуемого образца, которая имеет пленочную камеру по меньшей мере с одним участком стенки из гибкого, прежде всего эластичного, материала. Предлагаемое в изобретении устройство содержит измерительное устройство для измерения повышения общего давления в испытательной камере и для оценки формы кривой, представляющей повышение общего давления в испытательной камере во времени.
Технические результаты, достигаемые при осуществлении изобретения, заключаются в повышении скорости и точности обнаружения течей без применения проверочного газа и с возможностью автоматизации процесса.
В соответствии с изобретением обнаружение течей осуществляется в результате измерения повышения общего давления внутри испытательной камеры. Проверка на наличие возможных течей при этом осуществляется без вспомогательного использования сравнительного газа. Прямой газообмен между испытательной камерой и датчиком общего давления при этом не является необходимым, так что газ не должен поступать из течи к датчику давления.
Как общее давление при этом обозначено абсолютное давление внутри испытательной пленочной камеры. Обозначение «общее давление» при этом служит для разграничения с известными из уровня техники обнаружениями течей путем оценки разности давления. Согласно изобретению кривая повышения общего давления оценивается во время всего интервала измерения, то есть во время продолжительности измерения. Форма кривой повышения давления при этом служит для быстрой оценки того, имеется ли течь. Кривая повышения давления является более точной, чем простой контроль пограничных значений или измерение разности давлений. Быстрая оценка кривой повышения общего давления делает возможным полностью автоматизированный и особенно быстрый цикл измерений для применения полностью автоматизированных проверок наличия течей.
Предпочтительным образом испытательная камера состоит из одной или нескольких эластичных пленок, в которые или же между которыми помещают испытуемый образец. Пленка или пленки могут быть соединены или сжаты друг с другом зажимными элементами, такими как, например, скобы.
Пропускающий газ материал или пропускающая газ структура на внутреннем участке испытательной камеры в области испытуемого образца позволяет осуществление газового потока вокруг испытуемого образца также после прижимания эластичной стенки испытательной камеры к испытуемому образцу, за счет чего становится возможным дальнейшее вакуумирование всего объема камеры до низкого общего давления.
Предпочтительным образом кривая давления, то есть кривая общего давления и при необходимости также кривая частичного давления отдельных компонентов газа, оценивается уже во время фазы откачивания процесса измерения, чтобы сделать возможным обнаружение грубых течей.
Преимуществом является тот вариант, при котором испытательная камера снаружи заключена в компрессионную барокамеру. Для предварительного удаления газа из испытательной камеры давление внутри наружной камеры может быть повышено по отношению к давлению внутри испытательной камеры, так что на эластичную испытательную камеру оказывается внешнее силовое воздействие, И эластичный участок испытательной камеры прижимается к продукту. За счет этого большая часть газа из испытательной камеры сжимается независимо от всасывающей способности применяемого насоса. Измерительный цикл за счет этого существенно ускоряется.
Предпочтительным образом в испытательную камеру или в соединенный с объемом испытательной камеры объем в качестве абсорбента вводят выборочно поглощающий газ материал. Абсорбент поглощает реактивный газ, который оказывает влияние на повышение давления в камере за счет десорбции и мог бы исказить измерение интенсивности утечки. Десорбция газов на поверхностях внутренних сторон испытательной камеры типичным образом оказывает влияние на дополнительное повышение давления и ведет к возникновению измерительных погрешностей при измерении интенсивности утечки. Прежде всего вода в диапазоне давления менее 10 мбар существенно способствует повышению общего давления за счет десорбции. При измерении общего давления вызванное десорбцией воды повышение давления в испытательной камере невозможно отличить от повышения давления в результате наличия течи испытуемого образца. Абсорбирующий материал может сократить эту измерительную погрешность.
Предпочтительным образом абсорбирующий материал помещают в соединительный канал между испытательной камерой и датчиком давления, например датчиком общего давления. При этом объем внутри соединительного канала, в котором находится абсорбирующий материал, может быть отделен от объема испытательной камеры запорным клапаном. Во время вентилирования и во время фазы откачивания, например, для обнаружения сильных течей абсорбирующий материал при закрытом клапане не может подвергаться воздействию атмосферного газа, и способность абсорбирующего материала к выборочному поглощению газов сохраняется.
Объектом изобретения является также способ обнаружения течи в испытуемом образце при использовании вакуумируемой пленочной камеры в качестве испытательной камеры по меньшей мере с одним участком стенки из гибкого, прежде всего эластичного, материала. При осуществлении предлагаемого способа посредством измерительного устройства измеряют повышение общего давления внутри испытательной камеры и посредством измерительного устройства оценивают форму кривой, представляющей повышение общего давления во времени.
Далее на основании чертежей будут более подробно разъяснены примеры осуществления изобретения.
На фиг. 1 показан первый пример осуществления,
на фиг. 2 - схематическое изображение испытательной камеры первого примера осуществления изобретения в открытом состоянии,
на фиг. 3 - вид согласно фиг. 2 второго примера осуществления изобретения,
на фиг. 4 - вид согласно фиг. 2 четвертого примера осуществления изобретения,
на фиг. 5 - вид согласно фиг. 2 четвертого примера осуществления изобретения,
на фиг. 6 - пример кривой измеренного давления, и
на фиг. 7 - пример оценки повышения давления в заданные моменты времени.
Испытуемый образец 12 помещают в камеру 14. Затем камеру 14 закрывают и вакуумируют при помощи клапана 26. За счет понижения давления в камере 14 и сопровождающей его внешней силы, которая возникает за счет давления воздуха, эластичная стенка 16 камеры полностью сжимается вокруг испытуемого образца 12 и принимает его внешнюю форму.
Между пленкой 16 камеры и испытуемым образцом 12 находится пропускающий газ материал из волокнистого холста 20. В качестве альтернативы поверхность пленок 16 может быть структурирована. Это делает возможным осуществление потока газа вокруг испытуемого образца 12 также после прижимания пленочной камеры 14 к испытуемому образцу 12 и, таким образом, обеспечивает возможность дальнейшего вакуумирования объема камеры до низкого общего давления.
Между пленкой 16 и испытуемым образцом 12 возникает вакуум, типичным образом, в диапазоне от 1 до 50 мбар абсолютного давления, который соответствует давлению внутри жесткой испытательной камеры. Несмотря на наличие вакуума вокруг упаковки 12, на последнюю эффективным образом не воздействует никакая сила, так как внутреннее давление испытуемого образца 12 и внешнее давление на эластичный материал камеры идентичны. Таким образом, пленка 16 одинаково поддерживает упаковку со всех сторон и предотвращает ее раздувание или разрушение.
Заполненное волокнистым холстом 16 промежуточное пространство образует свободный объем, который, типичным образом, составляет всего несколько сантиметров. Благодаря адаптации формы пленочной камеры 14 к испытуемому образцу 12 даже при изменяющихся испытуемых образцах достигается минимальный объем камеры.
В таком случае течь в испытуемом образце 12 приводит к постоянному повышению общего давления в пленочной камере 14, после того как она была отделена от насоса 24 клапаном 26. Это повышение давления определяется за счет измерения общего давления чувствительным измерительным прибором общего давления (вакуумметром).
Кривую изменения давления оценивают во время фазы накопления и сравнивают с заданными значениями. Если встречается соответствующее отклонение от заданных значений, то течь испытуемого образца 12 считается обнаруженной.
Kammer
- изменение давления Δp в испытательной камере за промежуток времени Δt,
Kammer
V - объем камеры [л],
p
q - интенсивность утечки [мбар л/(с)],
- давление в камере или же испытуемом образце [мбар].
Как общее, так и частичное повышение давления в измерительной камере зависят от двух величин: существующего давления в камере и измеряемого объема.
По отношению к способу обнаружения подаваемого в упаковку проверочного газа измерение общего давления имеет два следующих заявленных преимущества:
- Во-первых, отсутствует зависимость от типа газа, то есть в продукт для поиска течи не требуется подводить специальный проверочный газ.
- Во-вторых, изменение общего давления может быть определено сразу по всему проверяемому объему. Сенсорная техника, специализированная на определенном проверочном газе, имеет в зависимости от принципа работы обусловленное диффузией время срабатывания, так как подлежащий обнаружению проверочный газ должен поступить из течи к датчику, чтобы его можно было обнаружить. В зависимости от расстояния и общего давления время диффузии может быть неприемлемым для желаемой продолжительности цикла.
Вследствие этих взаимосвязей выгодным является измерение повышения давления при очень небольших свободных объемах камеры, низком давлении внутри камеры и без проверочного газа.
Возникающая в результате температурных изменений измерительная погрешность:
Kammer
Чем меньше общее давление в испытательной камере, тем больше интенсивность утечки из испытуемого образца и, таким образом, ожидаемое повышение давления. Кроме того, общее давление в испытательной камере зависит от средней температуры T газа. В первом приближении действительно следующее:
Из этого следует следующая зависимость в отношении оценки погрешности:
Kammer
Kammer
Kammer
|Δp| - это изменение давления по причине изменения температуры и объема камеры. Это изменение давления не должно отличаться от того, которое происходит от утечек испытуемого образца. Вызванное температурными изменениями изменение давления |Δp| пропорционально давлению в камере p. Чем меньше давление в камере, тем меньше это негативное влияние.
Пример: при давлении в камере 700 мбар изменение температуры на 0,1 К при температуре внутри камеры 25°С (298,15 K) приводит к изменению давления (5).
-3
Для сравнения: утечка в размере q=1×10 мбар л/с при времени измерения 10 с и свободном объеме камеры 0,1 л приводит к повышению давления в размере:
В этом случае, таким образом, повышение давления в результате изменения температуры в два раза больше, чем повышение давления в результате утечки. Если бы несмотря на это работа осуществлялась при 7 мбар, то изменение давления по причине изменения температуры составило бы всего 0,01 мбар, что соответствует составляющей в размере всего ~5% все еще одинакового измерительного сигнала. Это означает, что та же самая утечка, которая при 700 мбар общего давления компенсируется измерением температуры, может быть измерена при 7 мбар. Вызванным уходом параметров под влиянием температуры термическим расширением и связанным с этим изменением объема камеры можно пренебречь по отношению к прямому влиянию температурных изменений на давление в камере.
Во время измерения утечек следует ожидать температурные изменения, так как, с одной стороны, изменение давление и связанное с этим сжатие/расширение газа приводит к температурным изменениям и, с другой стороны, часто испытуемые образцы имеют отличную от температуры измерительной камеры температуру.
Влияние объема на измерения.
Изменение давления, которое является результатом утечек в испытуемых образцах, тем больше, чем меньше свободная поверхность камеры, и таким образом, измеряемый объем. Свободный объем камеры при этом - это тот объем, который в вакуумированном состоянии камеры не занят испытуемым образцом.
-3
3
Пример: Утечка размером q=1×10 мбар л/с в течение 10 с вызывает в случае стандартной камеры со свободным объемом в размере 1 л повышение давления ок. 0,01 мбар. В случае объема камеры 10 см оно составляет около 1 мбар.
Десорбция
Десорбция, например, воды также оказывает влияние на общее давление внутри измерительной камеры. При учете десорбции возникает следующая зависимость для повышения общего давления внутри испытательной камеры:
- повышение общего давления [мбар/с],
- повышение общего давления в результате утечки [мбар/с],
- изменение общего давления в результате ухода параметров под влиянием температуры [мбар/с],
- повышение общего давления в результате десорбции,
R
V - объем приемника [л],
R
2
A - поверхность приемника + испытуемого образца [см],
L
q - интенсивность утечки испытуемого образца [мбар л/с],
A
2
q - интенсивность десорбции камера/испытуемый образец [(мбар л)/(с*см)].
Для чувствительного измерения интенсивности утечки по временной кривой общего давления в накопительной камере следует стремиться к максимально малому объему камеры. Чем меньше объем камеры, тем быстрее повышается общее давление при заданной, постоянной интенсивности утечки.
Чтобы достичь минимально возможного повышения общего давления, вызванного десорбцией в камере, следует стремиться к большому значению соотношения объема к поверхности. Чем больше объем при заданной поверхности, тем меньше повышение общего давления за единицу времени. Чем больше объем при заданной поверхности, тем меньше повышение общего давления за единицу времени.
За счет этого возникает противоречие. Это противоречие может быть разрешено за счет устранения влияния частичного давления воды за счет того, что абсорбирующий материал предпочтительным образом вводят в соединительный канал между испытательной камерой и прибором измерения общего давления.
Особенность изобретения заключается в том, что используется камера из деформируемого и гибкого, например эластичного, материала, причем повышение общего давления в такой закрытой камере используется для измерения утечки. Измерение общего давления осуществляется за счет измерения усилия, воздействующего на поверхность, например, при помощи емкостного датчика общего давления. Проверка наличия возможных течей при этом осуществляется без помощи проверочного газа. Также не требуется прямой газообмен между пленочной камерой и датчиком общего давления. Таким образом, газ не должен поступать из течи к датчику общего давления.
Сама испытательная камера при этом может состоять из одной или нескольких пленок. Особенность этого метода измерений состоит в том, что достигается противоречие между минимальным объемом и минимальным рабочим давлением при одновременной защите испытуемого образца. Кроме того, на основании свидетельства за счет измерения общего давления не требуется подача газа из течи к датчику.
За счет этого одновременно решаются следующие проблемы:
Разрешается противоречие между низким рабочим давлением и одновременной защитой испытуемого образца.
Получаемое в результате этого низкое рабочее давление существенно сокращает уход параметров под влиянием температуры и повышает измеряемую интенсивность утечки.
Повышение давления в камере в результате утечки за счет небольшого объема становится максимальным и, таким образом, также и измерительный сигнал.
Камера по причине самостоятельно сокращающегося объема существенно быстрее разряжается.
Не требуется наличие потока газа из течи к датчику общего давления.
Как показано на фиг. 1, испытуемый образец 12 в форме мягкой упаковки продуктов питания помещают в испытательную камеру 14, которая состоит из пленки 16. Пленка 16 состоит, как показано на фиг. 2, из двух отдельных участков пленки, между которыми кладут испытуемый образец 12, так что испытуемый образец 12 полностью окружен обеими частями пленки.
На фиг. 1 показано, что расположенные друг на друге пограничные участки обоих участков пленки прижаты друг к другу клеммами 18, так что между участками пленки из испытательной камеры 14 не может выходить газ.
На внутренней стороне пленки 16 находится окружающий испытуемый образец слой из волокнистого холста, который делает возможным поток газа между испытуемым образцом 12 и пленкой 16, чтобы можно было достичь полного вакуумирования испытательной камеры 14, в том числе и при тесно прилегающей к испытуемому образцу 12 пленке 16.
Испытательная камера 14 соединена с вакуумным насосом 24 через соединительный канал 22. В соединительном канале между вакуумным насосом 24 и испытательной камерой 14 находится запорный клапан 26 для отделения объема испытательной камеры от вакуумного насоса 24. Между запорным клапаном 26 и вакуумным насосом 24 предусмотрен вентиляционный клапан 28 для вентилирования испытательной камеры 14.
Между испытательной камерой 14 и запорным клапаном 26 от соединительного канала 22 ответвляется еще один соединительный канал 39, который соединяет объем испытательной камеры с датчиком давления прибора 32 измерения общего давления. В соединительном канале 30 предусмотрен абсорбер 34, а между абсорбером 34 и испытательной камерой 14 предусмотрен запорный клапан 36. При открытом запорном клапане 36 абсорбирующий материал абсорбера 34 соединен с объемом испытательной камеры. Абсорбирующий материал предпочтительным образом состоит из абсорбирующего воду цеолита, чтобы сократить воздействие десорбции воды на участки внутренней стенки испытательной камеры 14. При вакуумировании испытательной камеры 14 и/или при вентилировании испытательной камеры 14 запорный клапан 36 закрывается, чтобы сохранить абсорбирующую способность абсорбера 34.
На фиг. 3 показан пример осуществления, при котором испытательная камера 14 состоит из сложенной пленки. Испытательная камера 14 закрыта вокруг испытуемого образца 12 за счет складывания пленки 16.
В примере осуществления согласно фиг. 4 пленка 16 представляет собой рукав, который подключен к расположенным напротив друг друга концам для формирования испытательной камеры 14.
В примере осуществления согласно фиг. 5 испытательная камера 14 состоит из пленки 16 в форме мешкообразного баллона, в котором находится испытуемый образец 12. Открытый конец баллона может быть закупорен для закрытия испытательной камеры 14, например клеммами 18, как на фиг. 1.
На фиг. 6 показаны две кривые давления в пленочной камере во время измерительного интервала 10 с. При этом показанная пунктиром кривая - это кривая герметичного испытательного образца, а показанная сплошной линией кривая - это кривая негерметичного испытательного образца. Как на фиг. 6, повышение давления на протяжении всего измерительного интервала для герметичных испытательных образцов может быть больше, чем для негерметичных испытательных образцов. Также и повышение давления в определенный момент времени, то есть производная кривой давления по времени, может быть больше для герметичных испытуемых образцов, чем для негерметичных. Причиной тому случит различная степень десорбции газов из пленочного материала или же из волокнистого холста. При этих предпосылках возможно, чтобы отдельное значение, такое как, например, повышение давления или разность общего давления в начале и конце измерительного интервала не дает однозначного соотнесения с герметичными и негерметичными испытательными образцами. Эта проблема может быть решена за счет распознавания образов, которое опирается на различные свойства кривых, такие как, например, рост или закругление в определенные моменты времени.
На фиг. 7 нанесены значения для повышения давления через 10 с (конец измерительного интервала) и для повышения давления через 5 с (половина измерительного интервала). На ось х нанесены значения повышения давления после половины измерительного интервала (5 с) и на ось у - значения повышения давления на конец измерительного интервала (10 с). Метод распознавания образов должен определять группы измеренных значений. При этом первая группа изображенных крестиками измеренных значений относится к негерметичному испытуемому образцу, а вторая группа изображенных кружками измеренных значений - к герметичному испытуемому образцу. Пунктирная линия на фиг. 7 представляет значения испытательного образца, классифицированного как герметичный. Сплошная линия представляет группу испытательного образца, классифицированного как негерметичный. Для соотнесения или классификации герметичных и негерметичных испытательных образцов можно обращаться к математическим методам распознавания образов, таким как, например ЛДА (линейный дискриминантный анализ).