УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
PRODUCT LEAKAGE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для измерения негерметичности изделий, работающих под избыточным давлением.
Известны устройства контроля негерметичности, основанные на погружении изделий в ванну с индикаторной жидкостью и заполнением их испытательным газом под давлением. При этом индикаторная жидкость находится при комнатной температуре, либо нагрета, а пространство над ванной находится при атмосферном давлении, либо вакуумировано. О негерметичности судят по интенсивности появления пузырьков газа (ГОСТ 24054-80 Методы испытания на герметичность. Общие требования). Недостатком известных устройств является то, что они дают только качественный ответ на вопрос, герметично изделие или нет. Количественную оценку течи эти устройства не обеспечивают. Кроме того, для реализации этих устройств требуется специальный стенд с ванной.
Известны устройства контроля негерметичности, основанные на использовании пузырьковой камеры и подачи в нее через дренажную трубку испытательного газа, поступающего из контрольной камеры, в которую помещено испытуемое изделие, находящееся под избыточным давлением. О негерметичности судят по интенсивности появления пузырьков газа в пузырьковой камере после стабилизации системы (ГОСТ 24054-80). Недостаток устройства состоит в отсутствии возможности количественной оценки величины течи.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в патенте РФ №2261422 G01M 3/06, 2005 г. «Способ контроля герметичности изделий и устройство для его реализации (варианты)». Устройство содержит пузырьковую камеру с жидкостью и дренажную трубку, один конец которой соединен с изделием, а другой опущен в жидкость. В вышеприведенном патенте предполагается, что изделие через посредство запорной арматуры подключается к источнику испытательного газа, а само изделие находится в испытательной камере, связанной с пузырьковой камерой посредством дренажной трубки, причем испытательная камера до начала испытаний соединяется с атмосферой. Конец дренажной трубки, опущенный в жидкость, имеет плоский торец, перпендикулярный оси трубки, при этом конец трубки изогнут так, что его торец расположен под фиксированным углом 0≤α≤90° к поверхности жидкости и опущен в жидкость на глубину, которая превышает более чем в 10 раз диаметр пузырьков газа, формируемых с помощью трубки. Количественная оценка течи в приведенном прототипе основывается на том, что из дренажной трубки, имеющей заданные геометрические параметры и фиксированное положение в пузырьковой камере, при истечении образуются пузырьки газа постоянного «калиброванного» объема, подсчет которых в единицу времени определяет объемную величину утечки.
Недостатком прототипа в силу ряда нижеприводимых причин является невысокая точность определения утечки. К этим недостаткам следует отнести:
1) Объемный расход газа, определяемый известным устройством, не является однозначной характеристикой величины течи испытываемого изделия, т.к. объем пузырьков газа, образующихся в пузырьковой камере, зависит не только от конструкции и расположения дренажной трубки, но и от свойств среды, в которой формируются пузырьки. К таким свойствам относятся плотность, вязкость, коэффициент поверхностного натяжения жидкости, а также давление атмосферы, действующее на жидкость.
2) Получение зависимостей, позволяющих определять объемы калиброванных пузырьков газа по наружным и внутренним диаметрам и по углу расположения плоскости торца дренажной трубки, связано с проведением обширных градуировочных работ, которые должны выполняться в одинаковых условиях окружающей среды, например, по давлению и температуре. К факторам, влияющим на результаты градуировки, могут быть отнесены также сила земного притяжения (зависимость от географического места проведения градуировочных работ), химический состав жидкости, заливаемой в пузырьковую камеру, материал дренажной трубки и т.п.
3) Каждый процесс измерения при помощи градуированной дренажной трубки с количественной оценкой негерметичности испытываемого изделия должен проводиться в условиях, идентичных процессу градуировки как по свойствам жидкости в пузырьковой камере, так и по условиям окружающей среды.
4) В прототипе отсутствуют средства точного подсчета пузырьков и времени, за которое проводится этот отсчет.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения утечек газа из испытываемого изделия за счет организации калибровки массы пузырьков перед каждым измерением негерметичности, а также создания технических средств точного подсчета пузырьков и времени проведения этого подсчета.
Технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для измерения негерметичности изделий, содержащем пузырьковую камеру с жидкостью, дренажная трубка соединена входным концом через первый запорный вентиль и первую трубку с испытательной камерой, в которой располагается испытуемое изделие под давлением, подаваемым через второй запорный вентиль и вторую трубку от источника испытательного газа, третий запорный вентиль соединяет испытательную камеру с атмосферой, выходной конец дренажной трубки опущен под уровень жидкости в пузырьковой камере на расстояние более чем в 10 раз превышающее диаметр пузырьков газа. При этом в устройство дополнительно введены эталонная емкость, два запорных вентиля, один регулируемый вентиль, две трубки, соединяющие эталонную емкость с источником испытательного газа и с входным концом дренажной трубки, микрофон, усилитель, компаратор, задатчик уровня напряжения срабатывания компаратора, два перекидных ключа, шесть электронных ключей, переключатель, вычислитель с четырьмя входными регистрами памяти, счетчик импульсов, два сумматора, два делителя, триггер, два таймера, два элемента задержки, блок памяти, три блока сравнения, блок уставки разности давлений, задатчик числа пузырей, задатчик паузы, два элемента ИЛИ, умножитель, датчик давления и датчик температуры, при этом эталонная емкость через третью трубку, регулируемый вентиль и четвертый запорный вентиль соединена с входным концом дренажной трубки, через четвертую трубку и пятый запорный вентиль эталонная емкость соединена с источником испытательного газа, микрофон прикреплен к внешней поверхности стенки пузырьковой камеры и звукоизолирован вместе с ней от внешних источников звука, выход микрофона подключен к входу усилителя, выход усилителя соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора связан с выходом задатчика уровня напряжения срабатывания компаратора, выход компаратора соединен с входом первого перекидного ключа, первый выход первого перекидного ключа соединен с входом первого электронного ключа, выход первого электронного ключа соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и первым управляющим входом переключателя, выход первого элемента ИЛИ подключен к входу счетчика импульсов, управляющий вход первого электронного ключа также как и второй управляющий вход переключателя, управляющий вход вычислителя соединены с выходом первого блока сравнения, выход счетчика импульсов соединен с входом второго перекидного ключа, первый выход которого связан с прямым входом первого сумматора, на инверсный вход которого подана единица, выход первого сумматора подан на первый вход первого делителя, второй вход первого делителя связан с выходом вычислителя, выход первого делителя соединен с входом блока памяти, управляющий вход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ и через первый элемент задержки подключен к выходу первого блока сравнения, выход первого блока памяти связан с первым входом умножителя, выход умножителя соединен со вторым входом второго делителя, выход переключателя соединен с управляющими входами второго и третьего электронных ключей, а также с входом импульсатора, информационные входы второго и третьего электронных ключей соответственно соединены с датчиками температуры и давления, находящимися в эталонной емкости, выходы указанных ключей связаны с входами первого и второго регистров памяти вычислителя, выход импульсатора подключен к управляющим входам четвертого и пятого электронных ключей, информационные входы которых соответственно соединены с выходами датчиков давления и температуры, выходы этих ключей связаны с входами третьего и четвертого регистров памяти вычислителя, выходы третьего и пятого электронных ключей, кроме того, соединены с инверсным и прямым входами второго сумматора, выход второго сумматора подан на первый вход первого блока сравнения, второй вход этого блока соединен с выходом блока уставки разности давлений, второй выход первого перекидного ключа соединен с входом шестого электронного ключа, выход которого подключен к входу запуска таймера и второму входу первого элемента ИЛИ, управляющий вход шестого электронного ключа соединен с выходом триггера, вход сброса триггера и второго таймера подключены к выходу второго блока сравнения, один из входов которого связан с выходом второго таймера, а другой подключен к выходу задатчика паузы, вход сброса первого таймера через второй элемент задержки, вход запуска второго таймера, а также вход установки триггера и второй вход второго элемента ИЛИ подключены к выходу третьего блока сравнения и управляющему входу второго делителя, один из входов третьего блока сравнения связан со вторым выходом второго перекидного ключа, другой вход третьего блока сравнения и второй вход умножителя подключены к выходу задатчика числа пузырьков, выход первого таймера подключен к первому входу второго делителя, выход второго делителя является выходом устройства.
На фигуре приведена схема предлагаемого устройства измерения негерметичности изделий. Устройство состоит из пузырьковой камеры 1 с жидкостью, в которую опущена дренажная трубка 2 на глубину, более чем в 10 раз превышающую диаметр пузырьков газа. К входному концу дренажной трубки подсоединены первый запорный вентиль 3 и первая трубка 4, которая соединена с испытательной камерой 5, с расположенным в ней испытуемым изделием 6. В изделие 6 подается испытательный газ от источника питания через второй запорный вентиль 7 и вторую трубку 8. Третий запорный вентиль 9 соединяет испытательную камеру 5 с атмосферой. На внешней поверхности пузырьковой камеры вблизи конца дренажной трубки 2 прикреплен микрофон 10, звукоизолированный вместе со стенками пузырьковой камеры от внешних звуковых воздействий слоем изоляции 11. Выход микрофона 10 соединен со входом усилителя 12. Эталонная емкость 13 через третью трубку 14, регулируемый вентиль 15 и четвертый запорный вентиль 16 соединена с входным концом дренажной трубки 2. Через четвертую трубку 17 и пятый запорный вентиль 18 эталонная емкость 13 соединена с источником испытательного газа. Выход усилителя 12 соединен с первым входом компаратора 19. Второй вход компаратора 19 связан с выходом задатчика 20 уровня напряжения срабатывания компаратора. Выход компаратора 19 соединен с входом первого перекидного ключа 21. Первый выход перекидного ключа 21 соединен с входом первого электронного ключа 22. Выход первого электронного ключа 22 соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 23 и первым управляющим входом переключателя 24. Управляющий вход первого электронного ключа 22 также, как и второй управляющий вход переключателя 24 и управляющий вход вычислителя 25 соединены с выходом первого блока сравнения 26. Выход элемента ИЛИ 23 соединен с входом счетчика импульсов 27. Выход счетчика 27 соединен с входом второго перекидного ключа 28. Первый выход ключа 28 соединен с прямым входом первого сумматора 29, на инверсный вход которого подана единица. Выход первого сумматора 29 подан на первый вход первого делителя 30. Второй вход первого делителя 30 связан с выходом вычислителя 25. Выход первого делителя 30 соединен с входом блока памяти 31, управляющий вход которого через первый элемент задержки 32 подключен к выходу первого блока сравнения 26. Выход блока памяти 31 связан с первым входом умножителя 33. Выход умножителя 33 соединен со вторым входом второго делителя 34. Выход переключателя 24 соединен с управляющими входами второго 35 и третьего 36 электронных ключей, а также с входом импульсатора 37. Информационные входы второго и третьего электронных ключей соответственно соединены с датчиками температуры 38 и давления 39, находящимися в эталонной емкости 13. Выходы указанных ключей связаны с входами первого «а» и второго «Ь» регистров памяти вычислителя 25. Выход импульсатора 37 подключен к управляющим входам четвертого 40 и пятого 41 электронных ключей, информационные входы которых соответственно соединены с выходами датчиков температуры 38 и давления 39. Выходы ключей 40,41 связаны с входами третьего «с» и четвертого «d» регистров памяти вычислителя 25. Выходы третьего 36 и пятого 41 электронных ключей, кроме того, соединены с инверсным и прямым входами второго сумматора 42. Выход второго сумматора подан на первый вход первого блока сравнения 26. Второй вход блока 26 соединен с выходом блока 43 уставки разности давлений. Второй выход первого перекидного ключа 21 соединен с входом шестого электронного ключа 44. Выход ключа 44 подключен к входу запуска первого таймера 45 и второму входу первого элемента ИЛИ 23. Управляющий вход шестого электронного ключа 44 соединен с выходом триггера 46. Вход сброса триггера подключен к выходу второго блока сравнения 47, один из входов которого связан с выходом второго таймера 48, а другой подключен к выходу задатчика паузы 49. Вход сброса таймера 48 также связан с выходом второго блока сравнения 47. Вход установки триггера 46, вход второго элемента задержки 50, вход запуска второго таймера 48 и второй вход второго элемента ИЛИ 51 подключены к выходу третьего блока сравнения 52 и управляющему входу второго делителя 34. При этом первый вход второго элемента ИЛИ 51 подключен к управляющему входу блока памяти 31. Выход второго элемента задержки 50 подключен к входу сброса первого таймера 45. Один из входов третьего блока сравнения 52 связан со вторым выходом второго перекидного ключа 28, другой вход третьего блока сравнения 52 подключен к выходу задатчика числа пузырьков 53 и второму входу умножителя 33. Выход первого таймера 45 подключен к первому входу второго делителя 34, выход второго делителя 34 является выходом устройства.
Работа устройства состоит из двух этапов. На первом этапе производится калибровка пузырьков по массе газа в них содержащегося. Для этого запорный вентиль 3 закрыт, вентиль 9 открыт, вентиль 7 закрыт.Вентиль 18 открывается для заполнения эталонной емкости 13 испытательным газом до заданного уровня давления, а затем закрывается. Газ в этот отрезок времени натекает в эталонную емкость через трубку 17. Первый перекидной ключ 21 ставится в положение соединения выхода компаратора 19 с входом первого электронного ключа 22. Ключ 22 находится в нормально закрытом состоянии. Второй перекидной ключ 28 ставится в положение соединения выхода счетчика 27 с прямым входом сумматора 29. Регулируемый вентиль 15 предварительно ставится в положение, обеспечивающее пузырьковый режим истечения газа из дренажной трубки 2. После проведения указанных предварительных операций открывают запорный вентиль 16 и по трубке 14 через вентили 15, 16 газ поступает на вход в дренажную трубку 2 и виде пузырьков выходит с ее выходного конца. В момент отрыва пузырьков от выхода дренажной трубки 2 возникает звук, который фиксируется микрофоном 10. Выходной сигнал микрофона усиливается усилителем 12 и подается на первый вход компаратора 19. На другой вход компаратора 19 подан уровень напряжения срабатывания компаратора от задатчика 20. При изменении напряжения на выходе усилителя 12 на величину большую, чем задана задатчиком 20, компаратор срабатывает и выдает электрический импульс, который определяет момент отрыва пузырька газа от конца дренажной трубки. С выхода компаратора 19 через перекидной ключ 21 и нормально замкнутый первый электронный ключ 22 импульс поступает на вход первого элемента ИЛИ 23 и первый вход переключателя 24. С выхода элемента ИЛИ 23 импульс поступает на вход счетчика 27. Счетчик 27 начинает счет импульсов. Переключатель 24 по первому пришедшему импульсу со своего выхода выдает постоянный сигнал на управляющие входы второго и третьего нормально разомкнутых электронный ключей 35, 36. Эти ключи замыкаются и передают информацию о температуре и давлении с выходов датчиков 38, 39, расположенных в эталонной емкости, в первый «а» и второй «b» регистры памяти вычислителя 25. Через указанные входы вычислителя на него поступает текущая информация от датчиков температуры и давления. Кроме того, постоянный сигнал с выхода переключателя 24 поступает на вход импульсатора 37, который преобразует этот постоянный сигнал в импульсный. Импульсный сигнал с выхода импульсатора 37 поступает на управляющие входы четвертого и пятого нормально разомкнутых электронных ключей 40, 41. Во время существования этого импульсного сигнала ключи 40,41 замыкаются и соединяют выходы датчиков температуры и давления 38, 39 с входами третьего «с» и четвертого «d» регистров памяти вычислителя 25. Тем самым запоминаются начальные значения температуры и давления газа в эталонной емкости на этапе калибровки пузырьков.
По мере истечения газа из эталонной емкости 13 давление в ней падает и изменяется температура. Эти изменения измеряются датчиками температуры и давления 38, 39 и через замкнутые электронные ключи 35, 36 непрерывно поступают на входы первого «а» и второго «b» регистров памяти вычислителя 25. Количество пузырьков, выходящих из дренажной трубки, подсчитывается счетчиком 27. На прямом входе второго сумматора 42 за счет импульсного замыкания пятого электронного ключа 41 запоминается величина давления газа в эталонной емкости в начале этапа калибровки. Т.к. третий электронный ключ 36 замкнут постоянным сигналом с выхода переключателя 24, то на инверсный вход сумматора 42 поступает текущее значение давления в эталонной емкости, измеряемое датчиком давления 39. Образующаяся разность давления с выхода сумматора 42 поступает на один из входов первого блока сравнения 26. На второй вход блока сравнения 26 с блока уставки разности давлений 43 подается сигнал разности давления ΔР, выбранный из условий минимизации погрешности измерения падения давления в эталонной емкости. Как только сигнал разности давлений с выхода второго сумматора 42 сравняется с величиной сигнала с блока уставки разности давлений 43, первый блок сравнения 26 вырабатывает сигнал, который поступает на первый электронный ключ 22 и размыкает его. Счетчик 27 останавливает счет импульсов, соответствующих числу образовавшихся пузырьков газа. Этот же сигнал приходит на второй вход переключателя 24 и обнуляет его выходной сигнал. В результате этого электронные ключи 35, 36 размыкаются. На первом и втором регистрах памяти вычислителя 25 фиксируются величины температуры и давления в эталонной емкости в конце этапа калибровки. Кроме того, сигнал с выхода первого блока сравнения 26 поступает на управляющий вход вычислителя 25, чем инициирует вычисление массы газа, утекшего из эталонной емкости по записанным в начале и конце этапа калибровки величинам температуры, давления и известному объему эталонной емкости. Расчет производится по термодинамическим формулам.
Результат расчета массы утекшего газа в качестве делимого поступает на один из входов первого делителя 30. После некоторой временной задержки, вырабатываемой первым элементом задержки 32, через второй элемент ИЛИ 51, счетчик 27 сбрасывается. На другой вход этого делителя через сумматор 29 поступает информация о количестве интервалов между пузырьками, подсчитанными счетчиком 27. Для этого сумматор 29 из числа пузырьков, насчитанных счетчиком, вычитает единицу. На делителе 30 производится операция деления массы утекшего газа на число полученных интервалов, в результате чего определяется масса газа в одном пузырьке. С выхода делителя 30 сигнал поступает на вход блока памяти 31. Запись в этот блок информации о массе пузырька выполняется с некоторой задержкой, необходимой для проведения указанных вычислений. Задержка обеспечивается первым элементом задержки 32, который получает входной сигнал с выхода первого блока сравнения 26. С выхода блока памяти 31 информация подается на первый вход умножителя 33. На второй вход умножителя 33 подается информация о заданном для счета числа пузырьков. На выходе умножителя тем самым вычисляется суммарная масса газа в заданном числе пузырьков. На этом этап калибровки пузырьков заканчивается.
На втором этапе, зная массу газа в заданном числе пузырьков, количественно определяют негерметичность изделия (величину течи) по времени, за которое это количество пузырей проходит через пузырьковую камеру. Для этого делают следующие предварительные операции. Запорный вентиль 16 закрывают. Вентиль 7 открывают и подают испытательный газ в испытуемое изделие. Вентиль 3 открывают. Вентиль 9 закрывают. Перекидной ключ 21 ставят в положение соединения выхода компаратора 19 с входом шестого электронного ключа 44.
Вторым перекидным ключом 28 выход счетчика импульсов 27 соединяют с первым входом третьего блока сравнения 52. Триггер 46 изначально находится в таком положении, что его выходной сигнал держит электронный ключ 44 в замкнутом состоянии. При ранее указанном положении запорных вентилей 3, 7, 9, 16 газ, в случае негерметичности изделия 6, из испытательной камеры 5 через дренажную трубку 2 пойдет в виде пузырьков и будет преобразован микрофоном 10, усилителем 12 и компаратором 19 в электрические импульсы. Импульсы тока с выхода компаратора 19 через перекидной ключ 21, шестой электронный ключ 44 и первый элемент ИЛИ 23 поступят на вход счетчика 27. Кроме того, первым пришедшим импульсом включится в работу таймер 45. С выхода счетчика 27 через второй перекидной ключ 28 результаты счета импульсов будут подаваться на один из входов третьего блока сравнения 52. Как только число подсчитанных пузырьков совпадет с числом пузырьков, заданных задатчиком 53 сработает блок сравнения 52 и через второй элемент ИЛИ 51 счетчик 27 сбрасывается.
С выхода таймера 45 сигнал о времени подсчета пузырьков поступает на первый вход второго делителя 34. Сигнал с выхода блока сравнения 52 инициирует операцию деления на делителе 34. На выходе делителя 34 появляется сигнал, характеризующий массовую величину утечки газа из испытуемого изделия 6.
Сброс таймера 45 происходит с некоторой задержкой, создаваемой вторым элементом задержки 50. Кроме того, сигнал с выхода блока сравнения 52 поступает на вход сброса триггера 46. В результате этого выходной сигнал триггера 46 размыкает электронный ключ 44, тем самым обеспечивается отключение счетчика 27 и таймера 45.
В дополнение к сказанному сигнал с выхода блока сравнения 52 поступает на вход запуска таймера 48, который начинает счет длительности паузы между операциями определения утечек из изделия 6. Сигнал с выхода таймера 48 поступает на один из входов блока сравнения 47, на другой вход которого от задатчика паузы 49 задается величина длительности паузы. Как только величины сигналов на обоих входах блока сравнения 47 сравниваются он выдает сигнал о начале определения утечки. Это сигнал сбрасывает таймер 48 и через триггер 46 и шестой ключ 44 соединяет счетчик 27 и таймер 45 с выходом компаратора 19, от которого поступают импульсные сигналы, характеризующие пузырьковое истечение газа из дренажной трубки 2 в пузырьковой камере 1.
Данный способ был опробован на действующем макете при измерении искусственно создаваемых негерметичностей экспериментальной емкости. Сравнение результатов измерения утечек газа при одинаковой степени негерметичности экспериментальной емкости не отличались более чем на 0,2%, что соответствовало точности измерительных приборов, используемых при испытании.