МАЛОГАБАРИТНЫЙ ГЕЛИЕВЫЙ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к устройству аппаратуры для проведения испытаний объектов на герметичность, в которой используется гелий в качестве пробного газа.
Течеискатель используется для поиска мест нарушения герметичности в оболочках кабелей связи, трубопроводов и иных объектов. Места нарушения герметичности обнаруживаются с помощью прибора по ореолам рассеяния гелия, специально вводимого в состав газового наполнения проверяемых объектов и вытекающего наружу через поврежденные участки их оболочек. Прибор снабжен автономными источниками электропитания и может эксплуатироваться как в закрытых помещениях, так и на открытом воздухе.
Известно устройство - течеискатель, принцип работы которого раскрыт в патенте US3280619 (опубл. 25 октября 1966 г., Johannes Spies, Karlsruhe, Germany, assignor to Kernreaktor Bau - und Betriebs-Gesellschaft m.b.H., Karlsruhe. Germany, a corporation of Germany). Устройство представляет собой малогабаритный переносной течеискатель с магниторазрядным насосом в качестве детектора гелия и мембраной из кварцевого стекла для выделения гелия из газового потока. Для организации движения газа через прибор используется вентилятор или вакуумный насос.
Известно устройство - детектор для гелиевых течей, патент US5325708 (опубл. 5 июля 1994, Inventor: Mauro De Simon, Osoppo, Italy Assignee: Varian S.p.Α., Turin, Italy). Устройство представляет собой улучшенный малогабаритный гелиевый течеискатель, отличающийся наличием мембранного насоса и щупа для доставки контролируемой смеси газов к нагреваемому селективному элементу из кварцевого стекла, а также наличием современной управляющей и измерительной электроники. Прибор адаптирован к работе в тяжелых условиях, в местах без доступа к сети электропитания.
Общим недостатком указанных выше устройств, а также подобных малогабаритных течеискателей с магниторазрядным насосом в качестве детектора гелия и мембраной из кварцевого стекла для выделения гелия из газового потока, является то, что их чувствительность ниже, чем у стационарных масс-спектрометрических течеискателей. Чувствительность рассматриваемых устройств ограничена, в частности, количеством атомов гелия, проходящих в единицу времени через мембрану, которое в свою очередь определяется пропускной способностью мембраны и градиентом давления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели - прототипом является портативный течеискатель, который описан в патенте US7062954 В2
(опубл. 20 июня 2006 г., Inventors: Sandro Vittozzi, Turin (IT); Roberto Carboneri, Settimo Torinese (IT), Assignee: Varian, S.p.A.,).
-7
3
Указанное устройство состоит из магниторазрядного насоса; сенсора выполненного в виде корпуса, внутри которого расположен капилляр; коаксиально с капилляром установлен резистивный нагреватель для нагрева капилляра до рабочей температуры; щупа для отбора пробы и мембранного насоса для доставки газа к капилляру; микропроцессорного блока управления; клапана обратного потока, позволяющего быстро очистить прибор от гелия после срабатывания сигнала «Течь» путем изменения направления прокачки газа мембранным насосом в целях уменьшения времени восстановления прибора перед поиском следующей течи. Минимальный достоверно регистрируемый прототипом поток гелия составляет 5·10 Па·м/с.
Недостатком данного устройства при улучшении динамических характеристик также является ограниченная чувствительность (минимальный достоверно регистрируемый поток гелия).
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение чувствительности течеискателя.
Для получения указанного технического результата в малогабаритном гелиевом течеискателе, состоящем из щупа для отбора пробы; мембранного насоса; сенсора, выполненного в виде корпуса, внутри которого расположен капилляр, с коаксиально установленным резистивным нагревателем для нагрева капилляра до рабочей температуры; магниторазрядного насоса и микропроцессорного блока управления, соединенного с магниторазрядным насосом, мембранным насосом и нагревателем; на выходе сенсора дополнительно расположен импульсный клапан, подключенный к микропроцессорному блоку управления.
Перечень фигур, поясняющих сущность технического решения:
Фиг. 1 - принципиальная схема течеискателя,
Фиг. 2 - временная диаграмма работы малогабаритного течеискателя,
Фиг. 3 - временная зависимость разрядного тока течеискателя при работе по схеме прототипа (а) и по заявляемой схеме (Ь).
Малогабаритный гелиевый течеискатель (фиг. 1) состоит из щупа для отбора пробы 1; мембранного насоса 2; сенсора, выполненного в виде корпуса 3, внутри которого расположен капилляр 4; коаксиально с капилляром установлен резистивный нагреватель 5 для нагрева капилляра до рабочей температуры; импульсного клана 6, расположенного на выходе сенсора; магниторазрядного насоса 7, к корпусу которого присоединяется сенсор, и микропроцессорного блока управления 8, соединенного с магниторазрядным насосом 7,
мембранным насосом 2, нагревателем 5 и импульсным клапаном 6.
Принцип работы малогабаритного гелиевого течеискателя основан на захвате щупом смеси газов, выделения из неё атомов гелия, ионизации гелия в камере магниторазрядного насоса и измерении величины разрядного тока насоса, который служит источником информации о концентрации гелия в анализируемой смеси газов.
Малогабаритный гелиевый течеискатель работает следующим образом: щуп 1 перемещается по поверхности объекта, проверяемого на герметичность. Мембранный насос 2 создает поток пробного газа, отбираемого щупом 1, к сенсору. Капилляр сенсора 4 нагревается до рабочей температуры нагревателем 5. При достижении рабочей температуры капилляра 4 начинается диффузия гелия, содержащегося в потоке пробного газа, доставляемого мембранным насосом 2 к внешней поверхности капилляра 4. Поток атомов гелия, проникающий в магниторазрядный насос 7, определяет давление в магниторазрядном насосе 7, которое в свою очередь влияет на ток магниторазрядного насоса 7. Таким образом, ток магниторазрядного насоса 7 является информативным параметром, позволяющим определить наличие течи в оболочке тестируемого объекта. Величина разрядного тока пропорциональна давлению (концентрации) гелия в камере магниторазрядного насоса 7, которое определяется потоком гелия через стенку нагретого капилляра 4.
При прочих равных условиях, поток гелия через стенку капилляра 4 пропорционален градиенту давления гелия с внешней и внутренней стороны капилляра 4. Повышение давления пробного газа над поверхностью капилляра 4 происходит, когда закрывается импульсный клапан 6 и прекращается отток пробного газа из объема сенсора, а мембранный насос 2 продолжает работать и подавать пробный газ в объем сенсора. Предельное повышение давления над поверхностью капилляра 4 определяется степенью сжатия, обеспечиваемой мембранным насосом 2.
Повышение чувствительности течеискателя достигается за счет того, что импульсный клапан 6 периодически перекрывает отток, а мембранный насос 2 продолжает нагнетать контролируемую на наличие гелия смесь газов в корпус 3. За счет этого повышается градиент давления и время пролета гелия в корпусе 3. Указанные процессы приводят к тому, что большее количество атомов гелия проникает, вследствие диффузии, сквозь капилляр 4 к магниторазрядному насосу 7, давление (концентрация) гелия в камере магниторазрядного насоса 7 возрастает, увеличивается разрядный ток, являющийся информативным параметром.
Таким образом, использование импульсного клапана 6, подключенного к микропроцессорному блоку управления 8, позволяет увеличить выходной сигнал
магниторазрядного насоса 7 по сравнению с прототипом при одинаковой концентрации гелия на входе щупа течеискателя, т.е. повысить чувствительность прибора.
=
=
=
4
6
2
Временная диаграмма работы течеискателя показана на фиг. 2. В момент времени t0 щуп попадает в область истечения гелия из течи в корпусе проверяемого на герметичность объекта. Концентрация гелия в отбираемой пробе возрастает до значений, определяемых мощностью течи. Концентрация гелия над поверхностью капилляра 4 начинает возрастать с задержкой во времени t, зависящей от скорости течения пробного газа и длины канала транспорта пробного газа от щупа 1 до сенсора. С этого момента времени начинается диффузия гелия через стенку нагретого капилляра и при tt концентрация гелия начнет возрастать в камере магниторазрядного насоса 7. Ввиду того, что разрядный ток магниторазрядного насоса 7 пропорционален давлению в камере, разрядный ток также начнет возрастать. Закрытие импульсного клапана 6 в момент времени tt сопровождается повышением общего давления пробного газа над поверхностью капилляра 4, а, следовательно, и концентрации гелия. Это приводит к дополнительному возрастанию потока гелия в камеру магниторазрядного насоса 7 при сохранении концентрации гелия в отбираемой пробе. Временные задержки открытия и закрытия импульсного клапана 6 определяются экспериментально при первичной настройке течеискателя и вводятся в качестве исходных параметров в память микропроцессорного блока управления 8.
Указанным выше способом можно в несколько раз снизить мощность течи, истекающий из которой гелий может быть зарегистрирован течеискателем с импульсным клапаном 6.
Причинно-следственная связь между техническим результатом и признаком формулы полезной модели раскрывается с помощью данных, полученных при проведении экспериментального изучения временной зависимости разрядного тока детектора в малогабаритном гелиевом течеискателе.
-7
3
Экспериментальный стенд позволяет регистрировать поток гелия по схеме, описанной в прототипе, и по заявляемой схеме, отличающейся наличием импульсного клапана, подключенного к микропроцессорному блоку управления. В качестве меры потока выступает градуированная гелиевая течь, обеспечивающая поток 5·10 Па·м/с. В ходе эксперимента течь прикладывается к входу щупа течеискателя импульсно на время, равное трем секундам, т.к. при эксплуатации портативного течеискателя именно динамические сигналы несут полезную информацию о наличии течи. Характерные результаты экспериментов, проведенных для совокупности измерений с различными детекторами и сенсорами, приведены на Фиг. 3 (временная зависимость разрядного тока
течеискателя при работе по схеме прототипа (а) и по заявляемой схеме (b)). Минимальный регистрируемый течеискателем поток гелия определяется как двойное значение флуктуаций фона, деленное на отношение полезного сигнала к потоку через градуированную течь.
Анализ приведенных экспериментальных данных показывает, что значения флуктуаций фона при регистрации потока гелия по схеме, описанной в прототипе, и по заявляемой схеме не отличаются, а полезный сигнал при реализации заявляемой схемы в пять раз больше, чем полезный сигнал при работе стенда по схеме, описанной в прототипе. Таким образом, чувствительность течеискателя, при использовании заявляемого технического решения, увеличилась в пять раз.
Течеискатель, снабженный импульсным клапаном 6, будет сочетать преимущества магниторазрядного течеискателя (портативность, массу порядка 2 - 4 кг, малое потребление энергии и возможность работать от аккумуляторных батарей) с высокой чувствительностью характерной для масс-спектрометрических течеискателей.
С помощью такого прибора можно будет осуществлять контроль герметичности по III классу согласно ПНАЭ Г-7-019-89, что открывает новые области применения портативного течеискателя.