СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ
METHOD OF INSPECTING AIR-TIGHTNESS OF ARTICLES IN VACUUM CHAMBER

Изобретение относится к области испытательной техники и может найти применение в космической отрасли при испытании космических аппаратов (КА), а также в атомной, химической промышленности, в отраслях машиностроения при испытаниях различных изделий на герметичность в вакуумной камере.
Известны способы контроля герметичности изделий в вакуумной камере, описанные в отраслевом стандарте Федерального космического агентства: ОСТ 92-1527-89, сущность которых заключается в следующем: в вакуумной камере над контролируемой поверхностью изделия создается разрежение с помощью откачных средств, изделие заполняется контрольным газом, контрольный газ под действием разности давлений проникает через микронеплотности изделия в отвакуумированную полость, которая сообщается с течеискателем. По приращению показаний выносного прибора течеискателя определяют величину негерметичности изделия. Недостатком известных способов является значительная погрешность (±60%) измерения утечки контрольного газа из изделия, которая обусловлена зависимостью от откачных средств течеискателя, конструктивных особенностей изделия, газовыделения и натекания в вакуумной камере, определяющих фоновую составляющую в регистрируемом течеискателем потоке.
Изобретен способ контроля герметичности изделий (RU №2016385), заключающийся в том, что изделие помещают в вакуумную камеру, сообщают вакуумную камеру с течеискателем, вакуумируют течеискатель через вакуумную камеру до достижения в вакуумной камере рабочего давления, соответствующего максимальной чувствительности течеискателя, средствами вакуумирования вакуумной камеры, разобщают вакуумную камеру и течеискатель, подают в вакуумную камеру поток контрольного газа, равный максимальной допустимой величине негерметичности изделия, регистрируют показание течеискателя, сообщают вакуумную камеру с течеискателем и измеряют величину максимального приращения показания течеискателя, разобщают вакуумную камеру и течеискатель, заполняют изделие контрольным газом, регистрируют показание течеискателя, сообщают вакуумную камеру с течеискателем и измеряют величину максимального приращения показания течеискателя, а о наличии негерметичности на изделии, превышающей максимальную допустимую величину, судят по разности измеренных приращений.
Суть этого изобретения заключается в том, что до подачи в вакуумную камеру потока контрольного газа и до заполнения изделия контрольным газом вакуумирование вакуумной камеры производят до заданного давления, меньшего рабочего, при этом происходит повышение концентрации контрольного газа в вакуумной камере за счет накопления его в объеме вакуумной камеры, и к моменту сообщения вакуумной камеры с течеискателем концентрация контрольного газа в вакуумной камере может достичь уверенно регистрируемой величины, и за счет этого можно расширить диапазон выявляемых утечек контролируемого изделия по сравнению с известными способами в сторону меньших течей более чем в полтора раза.
Недостатком вышеуказанного способа является невозможность выявления той части утечек, изменения показаний течеискателя от которых находятся в пределах флюктуации стрелки измерительного прибора течеискателя, то есть когда нет возможности разделить приращение (всплеск) показания прибора за счет утечки от изделия и фоновой флюктуации стрелочного индикатора измерительного прибора.
Близким по технической сущности к предложенному является способ контроля герметичности изделий в вакуумной камере, заключающийся в том, что заполняют изделие контрольным газом до заданного давления, замеряют концентрацию контрольного газа в камере, удаляют контрольный газ из изделия, повторно замеряют концентрацию контрольного газа в камере и по степени уменьшения концентрации контрольного газа с помощью определенных расчетов определяют величину негерметичности изделия (RU №2194260). При этом стабилизация фоновой составляющей сигнала измерительного прибора - течеискателя достигается за счет достижения в вакуумной камере на момент измерения равновесного давления.
Недостатком способа является хоть и повышенная по сравнению с рассмотренными способами, но недостаточная точность контроля изделия, обусловленная тем, что определение величины негерметичности изделия по соотношению степени уменьшения концентрации контрольного газа от изделия к остаточной концентрации контрольного газа (теоретически к реакции течеискателя на атмостерный воздух с содержанием в нем гелия 1/200000, а практически на среду испытательного помещения, окружающую камеру, содержание в которой гелия значительно выше и постоянно меняется) приводит к погрешностям определения, причем в меньшую сторону, что способствует пропуску микронеплотностей на изделии.
Представляет интерес патент RU №2063013, выбранный в качестве прототипа.
В нем указанный технический результат повышения точности контроля достигается тем, что в известном способе контроля герметичности изделий в вакуумной камере, заключающемся в том, что заполняют изделие контрольным газом до заданного давления, замеряют концентрацию контрольного газа в камере от изделия, удаляют контрольный газ из изделия, замеряют остаточную концентрацию контрольного газа в камере и по степени уменьшения концентрации контрольного газа от изделия определяют величину негерметичности изделия, одновременно с заполнением изделия подают в камеру тарированный поток контрольного газа, замеряют концентрацию контрольного газа в камере от тарированного потока и от изделия, прекращают подачу тарированного потока, а определение величины негерметичности изделия проводят с учетом степени уменьшения концентрации контрольного газа от тарированного потока. Определение величины негерметичности изделия по соотношению степени уменьшения концентрации контрольного газа от изделия к степени уменьшения концентрации контрольного газа от тарированного потока контрольного газа, поступающего в камеру аналогично поступлению контрольного газа через микронеплотности изделия, повышает точность этого определения, то есть повышает точность контроля.
Предложенный в прототипе способ осуществляется следующим образом. Помещают изделие в вакуумную камеру и вакуумируют камеру до рабочего вакуума. В процессе вакуумирования камеры заполняют изделие контрольным газом до заданного давления и одновременно подают в камеру тарированный поток контрольного газа величиной Qкт (величину Qкт выбирают в пределах (0,5-1,0) допустимой величины негерметичности изделия Qизд. доп, заданной в конструкторской документации на изделие). После достижения в камере рабочего вакуума замеряют концентрацию контрольного газа в камере Акт+изд от тарированного потока и от изделия. Прекращают подачу тарированного потока. Замеряют концентрацию контрольного газа в камере Аизд от изделия. Удаляют контрольный газ из изделия (из элементов высокого давления контрольный газ стравливают до атмосферного давления, из элементов низкого давления после стравливания до атмосферного давления остатки контрольного газа удаляются вакуумированием этих элементов дополнительным вакуумным насосом).
Замеряют остаточную концентрацию контрольного газа в камере Аост. По степени уменьшения концентрации контрольного газа от изделия с учетом степени уменьшения концентрации контрольного газа от тарированного потока с помощью определенных расчетов определяют величину негерметичности изделия Qизд.
При использовании предложенного способа появляется возможность более качественного (за счет подобности измерения всех концентраций контрольного газа в камере) контроля герметичности изделий космической техники, особенно тех (например, комбинированной двигательной установки), которые имеют в своем составе клапаны, пропускающие на начальном этапе заполнения изделия (при низких давлениях) значительные количества контрольного газа и герметизирующиеся по мере повышения давления.
Однако в прототипе отсутствует алгоритм оценки замеряемых величин концентрации контрольного газа в камере, что позволяет автору предлагаемого изобретения установить в своем решении конкретный порядок действий, приводящий к определению величины негерметичности изделия с наибольшей точностью.
Целью настоящего изобретения является расширение диапазона выявляемых утечек в сторону меньших течей с осуществлением прямого измерения утечки с наибольшей точностью при минимальном объеме необходимых расчетов, например, при контроле герметичности полостей тепловых труб, применяемых в системе терморегулирования (СТР) КА.
Изобретение направлено также на повышение производительности контроля герметичности изделий, состоящих из множества проверяемых элементов, например полостей двухфазных контуров СТР КА и межблочных трубопроводов двигательной установки КА.
Техническим результатом использования предложенного способа станет повышение точности и производительности контроля.
Для осуществления предложенного способа изделие помещают в вакуумную камеру, собирается известная схема контроля с применением гелиевого течеискателя.
Вакуумирование вакуумной камеры производят до достижения в ней рабочего вакуума - равновесного давления, поддерживаемого неизменным в течение всего времени испытания изделия известными способами (например, с помощью натекателя микропотоков газа в камеру в сочетании с подключением к процессу удаления газа из камеры дополнительных откачных средств).
При достижении рабочего вакуума измеряют величину сигнала течеискателя, отображающего остаточную концентрацию (фон) контрольного газа в вакуумной камере.
Измерение сигнала, отображающего остаточную концентрацию контрольного газа в вакуумной камере, посредством течеискателя производят по достижении упомянутой концентрацией установившегося постоянным значения Аост. Затем в камеру подают определенным образом (например, с помощью калибратора-измерителя) изменяемый тарированный поток контрольного газа, вызывающий отсчет течеискателя, равный значению Аост, умноженному на два.
Фиксируют установившееся значение сигнала течеискателя Акт, равное удвоенному Аост («нулевой» замер).
Фиксируют значение тарированного потока контрольного газа Qкт, соответствующее удвоенному Аост,
Прекращают подачу тарированного потока контрольного газа.
Далее по величине тарированного потока контрольного газа Qкт, вызвавшего отсчет течеискателя, равный удвоенному Аост, оценивают фактическую величину минимального регистрируемого на уровне фона в вакуумной камере изменения концентрации контрольного газа Qкт.min и сравнивают ее с допустимой чувствительностью схемы контроля, рассчитываемой по величине допустимой негерметичности изделия Qизд. доп заданной в конструкторской документации на изделие.
При получении значения фактического минимального регистрируемого на уровне фона в вакуумной камере изменения концентрации контрольного газа, меньшего, чем значение допустимой чувствительности схемы контроля, приступают непосредственно к контролю герметичности изделия, для чего заполняют заранее отвакуумированное изделие контрольным газом до рабочего давления Рраб.
По достижении установившегося постоянным значения на течеискателе фиксируют это значение как сигнал, отображающий изменение концентрации контрольного газа в вакуумной камере после заполнения изделия контрольным газом Аост+изд.
Затем в камеру подают (например, с помощью калибратора-измерителя) изменяемый тарированный поток контрольного газа, вызывающий отсчет течеискателя, равный значению Аост+изд, умноженному на два.
Фиксируют установившееся постоянным значение сигнала течеискателя А'кт, равное удвоенному Аост+изд (контрольный замер). Фиксируют значение тарированного потока контрольного газа Q'кт, соответствующее удвоенному Аост+изд.
Прекращают подачу тарированного потока контрольного газа.
Удаляют контрольный газ из изделия.
Замеряют посредством течеискателя установившееся значение сигнала, отображающего остаточную концентрацию контрольного газа в камере А'ост.
Оценивают замеряемые величины изменения концентрации контрольного газа в камере до заправки изделия контрольным газом и после удаления контрольного газа из изделия сравнением.
При условии поддержания равновесного давления в вакуумной камере значение А'ост должно быть равным или близким значению Аост.
Затем проводится расчет фактической негерметичности изделия.
Логика расчета фактической негерметичности изделия определяется следующей зависимостью: так как разность значений Аост+изд (при контрольном замере) и Аост (при «нулевом» замере) является значением сигнала, отображающего реакцию течеискателя на утечку гелия из изделия, заправленного до рабочего давления Рраб контрольным газом, то разность значений Q'кт и Qкт за счет подобности измерений будет искомым значением утечки (фактической негерметичностью изделия Qизд. факт), которое сравнивается в известных способах с допустимой величиной негерметичности изделия (Qизд. доп), значение которой задано в конструкторской документации на изделие.
Для определения погрешности измерения величины изменения сигнала течеискателя после удаления контрольного газа из изделия и достижения в вакуумной камере равновесного давления в камеру подают изменяемый тарированный поток контрольного газа Q"кт, вызывающий отсчет течеискателя, равный удвоенному значению сигнала течеискателя, отображающего остаточную концентрацию контрольного газа в камере A'ост. Проводя повторный «нулевой» замер после испытаний изделия, сравнивают значения Qкт и Q"кт и определяют их сходимость.
В известных ранее способах фактором, определяющим основную погрешность величины фактической негерметичности изделия, является влияние фоновой составляющей контрольного газа в камере.
Предлагаемый способ позволяет численно разделить приращение показания прибора за счет утечки от изделия и фоновую составляющую, равную остаточной концентрации контрольного газа в вакуумной камере, фиксируемую течеискателем, и получить искомое значение фактической негерметичности изделия непосредственно при прямом измерении значения тарированного потока.
Кроме того, определение фактической чувствительности схемы контроля по тарированному потоку контрольного газа Qкт.min, регистрируемому на уровне фона, гарантирует достоверность последующего измерения утечки из изделия, а прямое измерение тарированного потока контрольного газа Qкт и приравнивание его значения к значению сигнала течеискателя, реагирующего на изменение концентрации контрольного газа в вакуумной камере, позволяет достичь наибольшей точности контроля с получением искомого значения фактической негерметичности изделия при минимальном объеме необходимых расчетов.
Другим отличием предлагаемого способа от известных способов является возможность применения в указанной выше схеме контроля в качестве отображателя сигнала, реагирующего на изменение концентрации контрольного газа в вакуумной камере, цифрового гелиевого течеискателя (например, модели МС-40 фирмы VIC) с функцией «обнуления фона» («Zero»). Активируя функцию «Zero» на течеискателе до начала фиксации значения фоновой составляющей (остаточной концентрации контрольного газа), возможностью течеискателя осуществляют снижение уровня сигнала (например, в случае с МС-40 - в 100 раз). Новое значение фонового сигнала автоматически фиксируется в памяти цифрового течеискателя. При этом сигнал, превышающий зафиксированный фоновый, сохраняется на прежнем уровне, т.е. увеличенным по сравнению с фоновым в 100 раз.
Применение в схеме контроля цифрового гелиевого течеискателя с функцией «Zero» расширяет диапазон выявляемых утечек в сторону меньших течей.
Производительность контроля герметичности изделий при применении предложенного способа повышается за счет сокращения времени, отводимого на операцию контроля герметичности, а сведенные при прямом измерении к минимуму погрешности расчетов устраняют необходимость перепроверок изделий, возникающих в случае значительных расхождений результатов нескольких испытаний одного и того же изделия при установленных в существующих способах допусках на определяемую утечку.