СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CHECKING TIGHTNESS OF ARTICLES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытаниям изделий на герметичность.
Известен способ контроля герметичности изделий, при котором изделие размещают в герметичной испытательной камере и измеряют в ней фоновую концентрацию контрольного газа. Регистрируют значение фона в дополнительной камере и уравнивают его значение со значением фоновой концентрации контрольного газа в испытательной камере. Изделие заполняют контрольным газом и выдерживают определенное время. О герметичности судят по изменению концентрации контрольного газа в камере по сравнению с фоновой (см. патент RU №2295710, МПК G01M 3/02).
Известно также устройство для контроля герметичности изделий, содержащее герметичную камеру, источник давления контрольного газа и блок контроля герметичности изделия (см. патент RU №2295710, МПК G01M 3/02).
Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является необходимость подачи внутрь изделия контрольного газа, что не позволяет во многих случаях конструктивная особенность испытуемых изделий.
Известен способ контроля герметичности изделий, включающий размещение изделия в вакуумной камере, вакуумирование камеры, измерение концентрации контрольного газа в камере от контрольной течи заданной величины, измерение контрольного газа в камере до и после подачи контрольного газа в изделие и определение негерметичности изделия по соотношению измеренных концентраций (патент RU №2194260, МПК G01M 3/02).
Устройство для осуществления данного способа (патент RU №2194260, МПК G01M 3/02) содержит герметичную камеру, вакуум-насос, запорные клапана и блок измерения и контроля герметичности. Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является необходимость фиксации диапазона изменения значений вакуума в камере и поддержание вакуума в зафиксированном диапазоне, что трудно осуществимо.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ и устройство автоматизированного контроля герметичности изделий (см. OCT В84-939-87 «Изделия механические и электромеханические. Методы испытаний на герметичность.», стр. 17-20, рис. 1).
ЗАД
Данный способ контроля изделий на герметичность включает размещение изделия в испытательной камере, создание в ней вакуума, выдерживание изделия контрольное время и определение негерметичности изделия по величине изменения давления в камере. Изменение давления (падение разряжения) в испытательной камере не должно превышать заданную высоту вакуума на погрешность измерения ΔР.
3
Устройство для осуществления способа контроля герметичности содержит блок управления с вакуумным насосом, запорные клапаны, форкамеру, соединенную с испытательной камерой, и автоматическое устройство контроля герметичности. Эти технические решения, как способ, так и устройство (см. OCT В84-939-87 «Изделия механические и электромеханические. Методы испытаний на герметичность.», стр. 17-20, рис. 1), предназначены для испытания изделий с внутренним свободным объемом менее 6 см.
Недостатками технических решений по прототипу является следующее:
- необходимость корректировки показаний измерительного средства при изменении атмосферного давления, а также перенастройки устройства при изменении атмосферного давления более, чем на 5 мм рт. ст., что существенно снижает производительность контрольных операций;
- зависимость точности измерения от изменения внешнего объема изделия в пределах допусков на изготовление последнего, определяемое по формуле:
где Р - измеряемое давление (разряжение);
ФК
Р - разряжение в форкамере;
ФК
V - объем форкамеры;
ИЗД
ΔV - разница между максимальным и минимальным наружным объемом изделия.
ИЗД
ИЗД
max
Из формулы следует, что при изменении ΔV от нуля до ΔV измеряемое разряжение Р также изменяется.
Техническим результатом предлагаемых решений является повышение точности контроля герметичности изделий, а также повышение производительности при необходимости проведения контроля герметичности большого количества изделий.
Этот результат достигается тем, что в способе контроля изделий на герметичность, включающем размещение изделия в испытательной камере, создание в ней вакуума, выдерживание изделия контрольное время и определение негерметичности изделия по величине изменения давления в камере, определение негерметичности изделия выполняется сопоставлением давления в испытательной камере в конце и начале контрольного времени, а также с давлением в эталонной камере, величина которого создается равной давлению в испытательной камере при условии размещения в последней эталонного изделия с минимальным по допускам наружным объемом, по следующей формуле:
ЭК
где Р - давление в эталонной камере;
ИК
Р - давление в испытательной камере;
ЗАД
ΔР - заданная допустимая погрешность измерения.
Технический результат по устройству достигается тем, что в устройстве для контроля изделий на герметичность, содержащем блок управления с вакуумным насосом, запорные клапаны, форкамеру, соединенную с испытательной камерой и автоматическое устройство контроля герметичности, автоматическое устройство контроля герметичности содержит два независимых канала контроля, каждый из которых включает по два пневматических аналоговых усилителя первой и второй ступеней, соединенных последовательно, при этом испытательная камера соединена с положительными камерами усилителей первых ступеней обоих каналов, а также с отрицательной камерой усилителя первой ступени первого канала с возможностью изоляции последней через запорный клапан, причем устройство содержит эталонную камеру, соединенную с отрицательной камерой усилителя первой ступени второго канала, а также через запорный клапан с дополнительной форкамерой, подсоединенной через запорный клапан к вакуумному насосу с возможностью одновременного вакуумирования основной и дополнительной форкамер.
Совокупность существенных признаков заявленных способа и устройства контроля герметичности позволяет исключить зависимость точности контроля герметичности от изменения атмосферного давления. Кроме того позволяет исключить зависимость точности контроля герметичности от изменения внешнего объема изделия, в пределах допусков на изготовление изделий.
Предлагаемый способ контроля изделий на герметичность и устройство для его осуществления иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема устройства контроля изделий на герметичность, реализующего предлагаемый способ контроля.
На фиг. 2 изображена циклограмма работы схемы по способу и устройству, принятыми за прототип.
На фиг. 3 изображена циклограммы работы схемы по предлагаемому способу и устройству, первого канала контроля.
Устройство для осуществления способа контроля герметичности изделий состоит из блока управления 1, включающего в свой состав вакуумный насос 2, реле времени 3, импульсаторы 4, элементы памяти 5, вводные командные устройства 6, 7 («ПУСК», «СТОП») и автоматическое устройство контроля герметичности 8, состоящее из четырех двухвходовых пневматических аналоговых усилителей 9, 10, 11, 12, пяти запорных нормально закрытых клапанов 13, 14, 15, 16, 17 с пневматическим управлением, разъемной испытательной камерой 18 и регулируемой эталонной камерой 19. Испытательная камера 18 соединена через клапан 13 с основной форкамерой 20, а эталонная камера 19 через клапан 14 с дополнительной форкамерой 21. Форкамеры 20 и 21 через клапаны 15 и 16 соединены с вакуумным насосом 2.
Аналоговые усилители 9, 10, 11, 12 образуют два независимых канала контроля:
- аналоговые усилители 9, 11 соединены последовательно и образуют первый канал для контроля «грубой» негерметичности;
- аналоговые усилители 10, 12 также соединены последовательно и образуют второй канал контроля «тонкой» негерметичности.
Аналоговые усилители 9, 10 являются усилителями первой ступени, а аналоговые усилители 11, 12 - усилителями второй ступени.
Глухие камеры «Б» усилителей принято называть отрицательными, а глухие камеры «В» - положительными, поскольку повышение давления в камерах «Б» приводит к понижению, а в камерах «В» - к повышению выходного давления усилителей.
ПИТ1
Проточные камеры «А» и «Г» соединены с выходом усилителей, при этом камеры «А» соединены с атмосферой, а камеры «Г» аналоговых усилителей 9, 10 с источником стабилизированного давления Р.
Положительные камеры «В» аналоговых усилителей 9, 10 соединены с испытательной камерой 18, а отрицательные камеры «Б»:
одна (аналоговый усилитель 9) - с эталонной камерой 19;
вторая (аналоговый усилитель 10) - через клапан 17 с испытательной камерой 18.
ПИТ2
ПИТ1
ПИТ2
Выходы аналоговых усилителей 9, 10 первой ступени соединены с положительными камерами «В» соответственно аналоговых усилителей 11, 12 второй ступени. Отрицательные камеры «Б» аналоговых усилителей 11, 12 соединены с источником стабилизированного давления Р, при этом Р>Р.
Выходы аналоговых усилителей 11, 12 через сумматор «или» 22 соединены с индикатором негерметичности «БРАК» 23.
ЭК
ИЗД
Объем эталонной камеры 19 регулируется из условия равенства паразитному объему испытательной камеры 18 с размещенным в ней эталоном изделия с минимальным наружным объемом (V=ΔV).
ИК
ИЗД
max
Объем испытательной камеры 18 равен максимальному по допускам объему контролируемого изделия (V=V).
При этом настройка давления в эталонной камере 19 осуществляется из следующего (2) условия соотношения давлений в камере 18 и 19:
ЭК
ИК
ЗАД
Р=Р+ΔР,
Объем форкамер 20 и 21 выбирается из условия достижения равного по величине заданного разряжения в испытательной 18 и эталонной 19 камерах после соединения последних с соответствующими форкамерами и равен:
ФК
где V - объем форкамеры;
ИК
Р - разряжение в испытательной камере;
ЭК
V - объем эталонной камеры;
ФК
Р - разряжение в форкамере.
На фиг. 2 изображена циклограмма работы схемы, принятой за прототип.
- Линия 24 на циклограмме обозначает пороговую высоту, ниже которой высота вакуума в испытательной камере соответствует дефектному по герметичности изделию;
зад
- ΔР - заданная допустимая погрешность измерения;
- линия 25 - высота вакуума в форкамере;
- линии 26 и 27 - высота вакуума в испытательной камере соответственно при максимальном и минимальном наружном объеме изделия в последней;
ДОП
- зона между линиями 26 и 27 (ΔР) - изменение высоты вакуума в испытательной камере, связанное с разбросом допусков на наружный объем изделия;
- линия 28 - верхняя граница вакуума в испытательной камере, связанная с изменением атмосферного давления;
АТМ
- зона между линиями 24 и 28 (ΔР) - изменение пороговой высоты вакуума, связанное с изменением атмосферного давления;
- линия 29 - высота вакуума в испытательной камере в случае «грубой» разгерметизации изделия;
- линия 30 - «ложное годное».
ЗАД
АТМ
ДОП
ЗАД
Из циклограммы следует, что к заданной допустимой погрешности измерения ΔР добавляется погрешность, вызванная изменением атмосферного давления ΔР (измеряется именно абсолютное давление), а также погрешность из-за разброса допусков на наружный объем изделия ΔР, что не позволяет произвести измерение высоты вакуума в измерительной камере с заданной допустимой погрешностью ΔР.
Суммарная погрешность схемы измерения прототипа
ЗАД
где ΔР - заданная допустимая погрешность измерения;
АТМ
ΔР - погрешность, вызванная изменением атмосферного давления;
ДОП
ΔР - погрешность из-за разброса допусков на наружный объем изделия.
На фиг 3 изображена циклограммы работы 1-го канала контроля заявляемого устройства, где:
- линия 31 - пороговая высота, ниже которой вакуум в испытательной камере соответствует дефектному по герметичности изделию;
ЗАД
- ΔР - заданная допустимая погрешность измерения;
- линия 32 - высота вакуума в форкамере 20;
- линии 33 и 34 - высота вакуума в испытательной камере 18 соответственно при максимальном и минимальном наружном объеме изделия в последней;
- линия 35 - высота вакуума в испытательной камере 18 в случае «грубой» разгерметизации;
- линия 36 - «ложное годное».
ЗАД
ДОП
АТМ
Из циклограммы фиг. 3 следует, что к заданной погрешности измерения ΔР прибавляется погрешность из-за разброса допусков на наружный объем изделия ΔР, а в суммарную погрешность контроля 1-го канала не входит ΔР, то есть
Σ1КАН
где ΔP - суммарная погрешность контроля 1-го канала;
ЗАД
ΔР - заданная допустимая погрешность измерения;
ДОП
ΔР - погрешность из-за разброса допусков на наружный объем изделия.
На циклограмме 2-го канала контроля
- линия 37 - высота вакуума в форкамере 20;
- линии 38 и 39 - высота вакуума в испытательной камере 18 соответственно при максимальном и минимальном объеме изделия в последней;
- линия 40 - высота вакуума в испытательной камере 18 в случае «грубой» разгерметизации;
- линии 41 и 42 - линии, соответствующие «тонкой» негерметичности.
ДОП
Из циклограммы следует, что погрешность ΔР в данном случае отсутствует, то есть
Σ2КАН
где ΔР - суммарная погрешность контроля 2-го канала;
ЗАД
ΔР - заданная допустимая погрешность измерения.
Способ контроля изделий на герметичность посредством заявленного устройства реализуется следующим образом (фиг. 1).
В испытательную камеру 18 устанавливается контролируемое изделие (на чертеже не показано).
После команды «ПУСК» происходит:
- герметизация испытательной камеры 18;
- включение вакуумного насоса 2;
- включение временного блока (реле времени 3, импульсатор 4).
Определение негерметичности изделия (на чертеже не показано) выполняется сопоставлением давления в испытательной камере 18 в конце и начале контрольного времени, а также с давлением в эталонной камере 19, величина которого связана с давлением в испытательной камере 18 соотношением (2)
ЭК
ИК
ЗАД
Р=Р+ΔР.
Давление в испытательной камере 18 обусловлено размещением в последней эталонного изделия с минимальным по допускам наружным объемом.
С блока управления на клапаны 15 и 16 подается управляющий импульс (ИМП1) - происходит вакуумирование форкамер 20 и 21 с последующей изоляцией последних после прекращения импульса (ИМП1).
После прекращения импульса (ИМП1) и подачи на клапаны 17, 14, 13 импульса (ИМП2) форкамеры 20 и 21 соединяются через клапаны 14 и 13 соответственно с испытательной 18 и эталонной 19 камерами, а разряжение в 20 и 18, а также в 21 и 19 выравнивается.
Кроме того, вакуумируются:
- положительная камера «В», а отрицательная камера «Б» через открытый клапан 17 усилителя 10;
- отрицательная камера «Б» аналогового усилителя 9, связанная с эталонной камерой 19.
После прекращения импульса (ИМП2) испытательная 18 и эталонная 19 камеры изолируются через клапаны 13 и 14, а также через клапан 17 изолируется отрицательная камера «Б» аналогового усилителя 10 с величиной первоначального разряжения в испытательной камере 18.
Далее в течение 60 секунд происходит выдержка контролируемого изделия в испытательной камере, после чего на входы аналоговых усилителей 11 и 12 с блока управления 1 поступает контрольный импульс (ИМП3) давления.
Если контролируемое изделие в испытательной камере 18 разгерметизировалось быстро («грубое» натекание), то падение вакуума в 18 и связанных с нею положительных камерах «В» аналоговых усилителей 9 и 10 происходит по формуле:
где ΔР - падение вакуума в испытательной камере 18;
ФК
Р - высота вакуума в форкамере 20;
ИК
V - паразитный объем испытательной камеры 18;
ИК
ΔV - приращение объема в испытательной камере 18 в результате натекания;
ФК
V - объем форкамеры 20.
ФК
ФК
max
Р и V присутствуют в формуле (7), так как испытательная камера 18 и форкамера 20 еще соединены. (Из анализа формулы (7) следует, что для получения ΔР необходимо максимально увеличивать вакуум в форкамере и уменьшать объем последней.)
В результате «грубого» натекания давление в камере «В» аналогового усилителя 9 превышает давление в камере «Б» (эталонное), вследствие чего давление на выходе последнего повышается, соответственно возрастает давление в камере «В» аналогового усилителя 11, что открывает проход импульса (ИМП3) на выход аналогового усилителя 11, а далее через сумматор «или» 22 на индикатор брака 23. (В случае герметичности изделия импульс (ИМП3) не проходит на выход аналогового усилителя 11.)
ЗАД
Итак, 1-й канал контроля сопоставляет высоту вакуума в испытательной 18 и эталонной 19 камерах, что позволяет устранить влияние изменения атмосферного давления на точность измерения, поскольку камеры 20 и 21 вакуумируются одновременно, кроме того (см. фиг. 3), 1-й канал фиксирует «грубое» натекание с заданной точностью Р.
ЭК
ИЗД
Однако в случае, когда в испытательной камере 18 установлено изделие с максимальным по допускам наружным объемом и «тонкой» негерметичностью (см. фиг. 3, линия 36), а в эталонной камере 19 заведомо установлен объем V=ΔV, вакуум в последней будет ниже, чем в испытательной камере 18 на величину:
ФК
где Р - вакуум в форкамерах 20 и 21;
ФК
V - объем форкамер 20 и 21;
ИЗД
ΔV - разность между наибольшим и наименьшим по допуску объемом изделия.
Тогда при «тонкой» разгерметизации изделия разряжение за контрольное время может не понизиться ниже порога срабатывания аналогового усилителя 9, то есть изделие будет казаться (выглядеть) годным (см. фиг. 3, линия 36).
Чтобы исключить подобную ситуацию, параллельно с первым каналом контроль производится по второму каналу.
При вакуумировании испытательной камеры 18 за время импульса (ИМП2) одновременно вакуумируются камеры «Б» и «В» аналогового усилителя 10, причем вакуумирование камеры «Б» производится через клапан 17. После прекращения ИМП2 камера «Б» изолируется от испытательной камеры 18 с первоначальным значением разряжения, т.е. аналоговый усилитель 10 производит сравнение первоначального разряжения в камере «Б» с текущим значением последнего в камере «В».
2
Если вакуум в испытательной камере 18 к окончанию контрольного времени 60 секунд упадет более, чем на заданное значение 0,002 кг/см по сравнению с первоначальным, то давление в камере «В» аналогового усилителя 10 превысит давление в камере «Б», следовательно, давление на выходе последнего повышается. Соответственно, возрастает давление в камере «В» аналогового усилителя 12, что открывает проход контрольного импульса «ИМП3» на выход последнего, а далее через сумматор «или» 22 на индикатор «БРАК» 23.
Итак: 2-й канал контроля позволяет зафиксировать «тонкую» негерметичность, а «грубую» не фиксирует, поскольку вакуум в камерах «Б» и «В» аналогового усилителя 10 одинаков по высоте после импульса ИМП2 и не изменяется в течение контрольного времени, однако параллельная схема работы первого и второго каналов позволяет избежать влияния изменения атмосферного давления на погрешность измерения, а также фиксировать как «грубое», так и «тонкое» натекание с заданной точностью.
Таким образом, отличительный признак заявленного способа контроля герметичности изделий, заключающийся в сопоставлении давления в испытательной камере в начале и в конце контрольного времени, соответствует работе второго канала контроля заявленного устройства. А отличительный признак способа, заключающийся в одновременном сопоставлении давления в испытательной камере с давлением в эталонной камере, при условии размещения в ней эталонного изделия с минимальным, по допускам, наружным объемом, соответствует работе первого канала контроля заявленного устройства. Причем давление в эталонной камере определяется по формуле (2), как было показано выше в описании:
ЭК
ИК
ЗАД
Р=Р+ΔР.
Пример реализации способа контроля герметичности и устройства для его осуществления.
3
3
3
3
Предлагаемый способ опробован на практике при проведении контроля герметичности изделий с внутренним свободным объемом менее 6 см, в частности, контролировалось изделие с внутренним свободным объемом, равным 3 см, а наружный объем изменялся в зависимости от допусков на изготовление деталей корпуса от 20,055 см (min) до 21,760 см (max), то есть
Для контроля использовались 2 эталона изделия с максимальным и минимальным объемами.
3
Для имитации «грубого» натекания использовалась подсоединяемая к испытательной камере 18 паразитная емкость объемом 2,5 см.
3
Для имитации «тонкого» натекания испытательная камера 18 соединялась с атмосферой через дроссель с расходом, равным 0,04 см/мин.
2
Разряжение в форкамере устанавливалось равным 0,79 кг/см.
Объем форкамеры по формуле:
ИК
2
где Р - требуемое разряжение в испытательной камере 18 (0,2 кг/см),
ФК
2
Р - разряжение в форкамере 20 (0,79 кг/см),
ЭК
3
V - 1,7 см.
2
2
2
На входы аналоговых усилителей 9 и 10 подавалось стабилизированное давление, равное 0,08 кг/см, в камеры подпора «Б» аналоговых усилителей 11 и 12 - стабилизированное давление подпора, равное 0,025 кг/см, а импульсы ИМП3 - давлением 1,4 кг/см.
К выходам аналоговых усилителей 9 и 10 подсоединялись образцовые манометры для измерения выходных сигналов аналоговых усилителей 9 и 10.
Порядок испытаний:
В испытательную камеру 18 устанавливалось эталонное изделие с минимальным наружным объемом.
После запуска цикла контроля наблюдались показания манометров, при этом выходные давления аналоговых усилителей 9 и 10 не превышали пороговых значений по обоим каналам, что соответствует годному изделию (индикатор брака по окончании цикла контроля показывал «ГОДНОЕ»).
На место заглушки к испытательной камере 18 подсоединялась паразитная емкость для имитации «грубого» натекания.
После запуска цикла контроля давление с выхода аналогового усилителя 9 (1-й канал) превышало пороговое значение, что соответствовало бракованному изделию. На выходе аналогового усилителя 10 при этом давление не повышалось, т.е. 1-й канал зафиксировал «грубую» негерметичность и с выхода последнего прошел сигнал на индикатор «БРАК».
После замены паразитной емкости на дроссель, имитирующий «тонкое» натекание, цикл контроля повторялся, наблюдались показания манометров с выходов аналоговых усилителей 9 и 10, при этом давление на выходе аналогового усилителя 9 (1-й канал) не превышало, а на выходе аналогового усилителя 10 превышало пороговое значение, т.е. 2-й канал зафиксировал «тонкую» негерметичность.
После замены эталона в испытательной камере 18 на эталон с максимальным объемом действия повторялись, при этом без имитаторов «тонкой» и «грубой» негерметичности показания манометров не превышали пороговых значений по обоим каналам контроля. После подсоединения эталона «грубой» негерметичности фиксация «БРАКА» проходила через 1-й канал контроля, а после установки эталона «тонкой» негерметичности - через 2-й канал контроля.
Анализ предлагаемых технических решений (способа и устройства контроля герметичности изделий) согласно проведенным исследованиям показывает, что заявленные объекты обладают существенными отличиями от известных аналогов и соответствуют критерию «новизна», а также способны обеспечить достижение необходимого технического результата, что явно не следует из существующего уровня техники, то есть соответствует критерию «изобретательский уровень».
По заявленным предложениям изготовлены опытные образцы и испытаны с удовлетворительными результатами. Конструкция устройства контроля герметичности рекомендована для серийного производства и соответствует критерию «промышленной применимости».