УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ

Полезная модель относится к области измерительной и испытательной техники высокочувствительного контроля на герметичность, где предъявляются высокие требования к надежности газонаполненных изделий, в том числе при обнаружении малых утечек, например, когда не представляется возможным гарантировано оценить прохождение пробного вещества сквозь оболочку, не имеющую дефектов сплошности, за счет проницаемости.
Известно устройство содержащее испытательную камеру, в которую помещают контролируемое изделие, создают в ней разрежение, заполняют изделие многокомпонентной контрольной средой под давлением, подключают камеру к индикаторному устройству, выдерживают изделие заданное время, а его герметичность (утечку) определяют как разность соотношений компонентов контрольной среды внутри изделия и в камере (Авторское свидетельство №515956, МПК G01M 3/04, 1976, аналог).
Недостатком аналога является отсутствие дополнительной камеры одинаковой вместимости с испытательным объемом с размещенным в ней герметичным макетом, идентичным контролируемому изделию, необходимых для объективной оценки фоновой составляющей контрольного вещества, учета газовыделений с поверхностей материалов корпуса контролируемого объекта и замкнутого накопительного объема, а также количественного учета возможного проявления процессов диффузии через стенки оболочки объекта испытаний, что приводит к снижению достоверности и точности результатов контроля герметичности, а также ограничению чувствительности при обнаружение малых утечек.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для контроля герметичности состоящее из замкнутой оболочки с контролируемым изделием, замкнутой оболочки с макетом изделия, вентиля, устройства для подачи контрольного вещества, течеискателя и щупа течеискателя (патент РФ №2392595, МПК G01M 3/02, 2010 г., прототип).
Недостатком прототипа является сниженная достоверность и точность результатов измерений, а также ограниченная чувствительность при обнаружение малых утечек, т.к. фоновое содержание контрольного вещества в атмосфере снижает чувствительность при обнаружении малых утечек, а кроме того часть проникающей в камеру через микронеплотности оболочки изделия контрольной среды не попадает в индикаторное устройство, оставаясь в свободном объеме испытательной камеры.
Полезная модель устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом является повышение точности и достоверности результатов контроля герметичности, увеличение чувствительности при обнаружении малых утечек и автоматизация измерительного процесса.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для контроля герметичности содержащем замкнутую оболочку с контролируемым изделием, замкнутую оболочку с макетом изделия, клапан, устройства для подачи контрольного вещества, прибор для обнаружения течей, дополнительно содержится управляемые сверхвысоковакуумные цельнометаллические прогреваемые клапана с пневмоприводами, селективные средства откачки, включая насос на основе пластин из нераспыляемого геттера, в качестве прибора для обнаружения течей используется масс-спектрометр, макет изделия, заполняют тем же пробным веществом и в том же диапазоне рабочих давлений, что и контролируемое изделие, при этом пробное вещество является одновременно и рабочей средой.
Полезная модель поясняется чертежом, где 1 - замкнутая оболочка (камера накопления) с макетом изделия; 2 (…, n) - замкнутые оболочки с контролируемыми изделиями; 3, 4 (…, N), 6, 7, 10, 11, -сверхвысоковакуумные цельнометаллические управляемые клапаны; 5 - сорбционный насос; 8 - геттерный насос; 9 - турбомолекулярный насос; 12 - датчик масс-спектрометра (газоанализатор); 13 - широкодиапазонный манометрический преобразователь давления; 14 - управляемый клапан; 15 - датчик низкого вакуума; 16 - форвакуумный насос.
Полезная модель работает следующим образом.
При изготовлении контролируемых изделий по той же технологии изготавливают герметичный макет - контрольное изделие, заполненное так же как и объекты испытаний пробным веществом под давлением, которое является одновременно и рабочим веществом изделия. Макет изделия и сами изделия заключают в замкнутые идентичные оболочки (камеры накопления) 1, 2 (…, n), соответственно, одновременно вакуумируют их до заданного уровня равновесного давления, при котором поддерживается квазистационарный режим, с использованием откачных средств 5, 8, 9, 16 при открытых клапанах 6, 7, 10, 11, 14, при этом измерение давления проводится с помощью манометрических преобразователей давления 13, 15.
С заданным интервалом времени последовательно перекрывают откачку сначала оболочки 1 с макетом изделия, закрыв управляемый клапан 3, а затем последовательно - замкнутые оболочки 2 (…, n) с размещенными контролируемыми изделиями, закрыв соответственно управляемые клапаны 4 (…, N). Заданный интервал времени является расчетной величиной, на основе которого формируется общая временная циклограмма испытаний на герметичность. Расчет может проводиться с использованием счетно-вычислительных устройств (ПЭВМ, калькулятор и др.) с учетом заданных исходных параметров (количеством контролируемых изделий в цикле; временем накопления порции газа; временем для записи фоновой составляющей - определенный временной промежуток; временного интервала измерений, в течении которого проводится регистрация полезного сигнала масс-спектрометра, начиная с момента сброса накопленной порции до закрытия клапана, перекрывающего объем оболочки с изделием; временем откачки между сбросами для достижения начальных фоновых показателей).
После выдержки контрольного прибора в течение заданного времени, за определенный временной промежуток до момента истечения времени накопления, закрытием управляемого клапана 10 при открытых клапанах 6, 7, 11 производят регистрацию фоновой составляющей пробного вещества в объединенном объеме вакуумной системы, где размещен датчик масс-спектрометра 12. К моменту истечения времени выдержки макета изделия открывают управляемый клапан 3 и регистрируют приращение выходного сигнала масс-спектрометра на заданном массовом числе.
По истечении временного интервала, выбираемого из диапазона значений кратного от трех до шести значениям вышеобозначенного временного промежутка, принятого в качестве условной дискреты для отсчета времени, перекрывают объем замкнутой оболочки макета изделия 1, закрыв управляемый клапан 3, и с экспозицией от трех до десяти временных промежутков, открыв управляемый клапан 10, производят эвакуацию пробного вещества посредством насоса 9 для восстановления предшествующих сбросу порции пробного вещества фоновых показателей.
После этого, закрыв управляемый клапан 10, при открытых клапанах 6, 7, 11, перекрывают откачку фоновых потоков пробного вещества без прекращения селективной откачки, обеспечиваемой насосами 5, 8 в объединенном объеме с размещенным датчиком масс-спектрометра 12, и возобновляют регистрацию его фоновой составляющей.
К моменту истечения заданного времени выдержки, открытием управляемого клапана 4 производят перепуск накопленной порции контролируемой среды из замкнутой оболочки 2 в объединенный объем и определяют приращение сигнала-отклика масс-спектрометра, характеризующего наличие содержания пробного вещества в порции, на заданном массовом числе.
По истечении временного интервала, численно равного значению, выбранному из диапазона кратного от трех до шести значениям временного промежутка (дискреты времени) применительнно к макету изделия, закрытием управляемого клапана 4, перекрывают замкнутую оболочку 2 с контролируемым изделием и, открыв управляемый клапан 10, производят откачку остатков пробного вещества из объединенного объема с помощью насоса 9.
Если количество изделий, подвергаемых контролю, составляет более одного, последовательность вышеприведенных операций применительно к контролируемому изделию (начиная с закрытия управляемого клапана 10) повторяется. При этом необходимо точно рассчитать временные интервалы между перекрытиями объемов оболочек с контролируемыми изделиями от откачки, чтобы произвести перепуск порции пробного газа из объема с макетом на момент достижения заданного времени его выдержки, производимого уже после перекрытия откачки оболочки с последним из контролируемых изделий.
Реакцию масс-спектрометра на эталонную контрольную среду вещества (коэффициент чувствительности измерительной системы) определяют одним из существующих способов, например, с использованием подготовленной с помощью системы газонапуска (на фиг.1 не показано) калиброванной порции пробного вещества в объеме замкнутой оболочки с контрольным герметичным изделием, равной по значению расчетному количеству порции получаемой при заданной норме герметичности объекта испытаний за установленное время выдержки с ее последующим расширением (экспансией) на объем с подсоединенным датчиком масс-спектрометра.
Расчет степени негерметичности изделия оценивают по соотношению:
,
где Q - расчетное значение степени негерметичности;
1
2
ΔI ΔI - приращение сигналов масс-спектрометра при перепуске рабочего пробного вещества из оболочек накопления с размещенными наполненными (газонаполненными) контролируемым и герметичным контрольным изделиями на заданном массовом числе, с учетом фона, газовыделения материалов с поверхностей замкнутых оболочек и изделий, а также за счет диффузии рабочего пробного вещества (газа) сквозь оболочку изделий, соответственно, A;
3
I - фоновый сигнал масс-спектрометра на заданном массовом числе (при выключенном катоде), А;
D - коэффициент чувствительности измерительной системы: реакция масс-спектрометра на эталонную концентрацию контрольной среды, А/Па;
VΣ - суммарный (объединенный) объем свободного пространства из замкнутой накопительной оболочки и вместимости объема с размещенным масс-спектрометром, м3;
τ - время накопления (выдержки) в замкнутой оболочке, с.
Заявляемое устройство реализовано на практике при проведении высокочувствительного контроля герметичности малогабаритных металлокерамических газонаполненных разрядников штенгельной конструкции, подвергаемых предварительно вакуумированию, проводимому совместно с термообработкой, герметизации и наполнению свободного объема изделия рабочим пробным веществом до заданного уровня давления.
Замкнутые оболочки изделий вместимостью 0,5 см выполнены из керамики (Al2O3). Полиблочная конструкция оболочки, форма которой образована из опорных поверхностей в виде колец с торцевыми крышками, имеющими выступы по периферии, получена диффузионным методом спая элементов керамики с металлическими электродами на основе материала марки АМЦ, образующих несколько двойных швов.
Герметизация штенгеля, выполненного также из материала АМЦ, обеспечивается способом холодной сварки (с пережатием штенгеля).
Внутренняя полость изделия заполняется рабочим пробным веществом - неоном - до рабочего давления.
Одновременно с контролируемым изделием по такой же технологии изготавливалось и контрольное изделие, полностью идентичное контролируемому; проводились его вакуумирование совместно с термообработкой, наполнение, герметизация и предварительная оценка герметичности, обеспечиваемая с использованием метода неразрушающего контроля на основе регистрации его одного из основных рабочих электрических параметров - импульсного напряжения пробоя с применением специализированного испытательного стенда.
В качестве запорно-регулирующей арматуры использовались сверхвысоковакуумные цельнометаллические прогреваемые клапаны с пневмоприводом, управляемые на основе специально разработанного аппаратно-программного интерфейса.
Для поддержания разрежения в объединенном объеме непосредственно в процессе проведения контроля использовали адсорбционный насос и малогабаритный геттерный насос на базе нераспыляемых титан-ванадиевых пластин, обладающие селективными свойствами: практически не откачивают неон и другие инертные газы. При этом геттерный насос использовался как эффективное средство для понижения парциального давления водорода, преобладающего в сверхвысоковакуумных системах и влияющего на фоновые показатели вакуумной системы.
0
-3
3
3
Свободный объем каждой замкнутой оболочки с загруженным изделием и расположенными в них вытеснителями объема при испытаниях составлял V=1,332·10 м (1,332 см).
Временной промежуток для регистрации фоновых составляющих выбирался равным 30 с.
3
-13
Фоновый сигнал I масс-спектрометра на заданном 20-м массовом числе при выключенном катоде составлял при испытаниях значение 1.610 А.
-14
3
Для регистрации утечек, газовыделения материалов и диффузии рабочего пробного вещества сквозь оболочку использовался малогабаритный квадрупольный масс-спектрометр, например QMG 220 PrismaPlus (Pfeiffer), способный регистрировать многие вещества (водород и его изотопы, пары воды, компоненты воздуха, инертные газы, газы из группы СпНт и др.) в широком динамическом диапазоне. Пороговая чувствительность, т.е. наименьший расход пробного вещества, регистрируемого масс-спектрометром (измерительной системой), при испытаниях имел значение не более 5.0·10 Па·м/с по неону.
-6
-8
Контролируемое изделие и его и макет заключались в одинаковые замкнутые оболочки, производилось их вакуумирование до давления ≤2.8·10 Па (2.1·10 мм рт.ст.), достигаемые примерно за 2,5…3 ч высоковакуумной откачки. После чего они выдерживались в изотермических условиях в течение одно и того же времени выдержки (накопления), устанавливаемого равным 10 минутам.
1
-11
-12
В результате проведенных испытаний реакция масс-спектрометра на содержание рабочего вещества ΔI (разностной сигнал), проявляющегося на 20-м массовом числе от фона, и реакция масс-спектрометра на газовыделения материалов изделия и с поверхностей замкнутой оболочки накопительного объема, а также диффузии через оболочку контрольного изделия , характеризовались значениями в 2.3·10 А и в 5.38·10 А, соответственно.
-13
3
Для количественной оценки потока рабочего газа, обусловленного диффузией с учетом газовыделений от материалов замкнутой оболочки накопительных объемов и самих изделий использовались еще два контрольных герметичных изделия - одно, находившееся на вылежке в течение одного года, другое - изготовленное, примерно, в одно и тоже время с контролируемым, подвергнутое только вакуумированию и термообработке. Значения уровней сигналов определялись по результатам их обработки: для заполненного герметичного изделия, находившегося на вылежке, он составил  А, для не заполненного рабочим пробным веществом герметичного изделия, отклик масс-спектрометра составил  А; в процессе сборки данные изделия контролировались гелиевым течеискателем с чувствительностью на уровне 1,0·10 Па·м/с.
Учет влияния газовыделения материалов, а также диффузии рабочего вещества позволяет повысить точность и достоверность испытаний. Убыль газа за счет явления диффузии, которое может проявиться не сразу же после наполнения рабочим пробным газом внутреннего объема оболочки изделия, а только со временем, равносильно появлению негерметичности. Многие материалы, например, керамика (как в данном случае) являются пористыми телами, при этом атомы инертного газа могут захватываться этими порами и переходить в решетку. При высоких концентрациях инертного газа имеет место газ-газ взаимодействие, приводящее к образованию газовых пузырьков, транспорт которых осуществляется путем объемного движения последних. Поэтому для особо ответственных изделий при косвенных измерениях сравнительно малых потоков утечек она должна подлежать обязательному учету и контролю, что является актуальным особенно в случаях, когда оболочке изделия, изготовленной из материалов, для которых свойственны явления проницаемости по отношению к рабочему пробному веществу, придана переменная толщина, предусматривающая наличие участков со сравнительно тонкими стенками.
В основе оценки показателя негерметичности в процессе проводимых измерений лежит необходимость использования контрольного заполненного рабочим веществом герметичного макета изделия полностью идентичного контролируемому изделию по технологии изготовления, форме, материалам, геометрическим размерам, рабочему давлению пробного вещества и его составу и т.д.
Устройство, ключевыми элементами которого являются управляемые (пневмоприводные) сверхвысоковакуумные цельнометаллические прогреваемые клапана и селективные средства откачки непосредственно задействованные при контроле, включая насос на основе пластин из нераспыляемого геттера, обеспечивают достижение минимальных фоновых показателей по пробному веществу в объединенном объеме вакуумной системы, в которой проводятся испытания на герметичность. При этом наличие обозначенных управляемых коммутационных элементов способствует проведению процесса автоматизации с помощью системы управления на основе аналого-цифровой информации, поступающей от аналитических приборов, образцовой и контрольно-измерительной аппаратуры.
Повышение точности и достоверности результатов контроля герметичности, увеличение чувствительности при обнаружении малых утечек происходит за счет исключения влияния фона пробного вещества, являющегося одновременно и рабочей средой контролируемого изделия, газовыделений с поверхностей материалов корпуса данного изделия и замкнутого накопительного объема, где оно размещено, а также количественного учета процессов диффузии через стенки оболочки объекта испытаний, при наличии у нее свойств проницаемости по отношению к рабочему пробному веществу.