检漏方法的灵敏度估算

1、2002年2月第1期中国空间科学技术CH I N ESE SPA CE SC IEN CE AND T ECHNOLO GY 59检漏方法的灵敏度估算闫治平黄淑英(北京卫星制造厂, 北京100080摘要为方便地选择检漏方法, 设计检漏系统和估算检漏系统的灵敏度, 文章推导了一些常用检漏方法的灵敏度估算公式, 这些公式在航天密封产品的检漏实践中具有实用性。主题词检漏灵敏度选择设计1检漏灵敏度估算公式的作用检漏方法很多, 由于本文篇幅有限对各种检漏方法的原理不作逐一的介绍, 如有需要, 请参考有关资料。从漏率的国际制单位Pa m 3 s 可以看出, 漏率的检测不属于直接测量, 而属于间接测量范畴,

2、 特别是采用检漏仪进行漏率检测时, 检漏仪输出的信号是电压参数(U , 它仅反应漏率的相对变化趋势, 只有通过检漏仪再检测标准漏孔已知漏率(Q 0 的反应输出值(U 0 之后, 进行对比计算(Q =Q 0U U 0 方能得到被检系统的实测漏率(Q ; 如果把被检系统的泄漏输出信号(U 取为1倍检漏仪的噪声值, 用该公式计算所得到的Q 就是该检漏系统的检漏灵敏度Q m in 。如果为了完成一项检漏任务, 目前还没有选定检漏方法, 急需知道某种检漏方法的灵敏度能否满足被检系统的检漏灵敏度要求, 还需要知道其灵敏度与哪些设备、哪些因素有关, 这时, 灵敏度的估算公式就显得极为重要。在检漏方法中的“静

3、态升压法”、“气泡12法”、“压降法”、“真空累积法”和“非真空累积法非真空收集器质谱检漏法”都有自己的灵敏度估算公式, 它包含了与哪些设备、哪些因素有关, 为选定检漏方法、选定检漏系统中的仪器设备具有一定的指导作用, 为检漏工作人员提供了方便。到目前为止, 尚未发现检漏方法中“氦罩法”、“真空盒法”、“动态真空收集法真空罐检漏法”、“动态吸入法氦吸枪法”以及“喷氦法”的灵敏度估算公式, 下面将对其进行探索。2灵敏度估算公式被检系统如果有漏隙存在, 示漏气体将通过漏隙漏入真空容器, 然后被检漏仪检测出来。当真空容器的容积很大时, 需要增加辅助泵, 以便缩短检漏的抽空时间和满足检漏仪入口压力的需

4、要; 有时需要增加分子泵, 以便缩短检漏的反应时间。检漏系统原理图如图1所示。收稿日期:2001210209。收修改稿日期:2001211214由图1所示的设备组成了一个检漏系统, 其检漏灵敏度与哪些因素有关系, 现进行如下分析。当限流器关闭时, 检漏仪处于自身封闭状态, 由于有空气的漏入, 检漏仪的真空泵(泵速S z 始终维持着检漏入口内最小的压力(P z m in 状态, 这时, 检漏仪(有内设标准漏孔 自身检漏灵敏度(Q z m in 取决图1检漏系统原理图于示漏气体的最小可检压力, 最小可检压力又与示漏气体的最小可检浓度(r z m in 相对应, 因此, 可用下面的关系式表示:(P

5、z m in S z r z m in =Q z m in当限流器和K 阀打开, 检漏系统处于动态平衡, 检漏仪检漏入口内有一个实际压力值(P z 。被检系统漏出的最小可检示漏气体(Q s m in , 漏入真空容器的空气(Q L 及真空容器的释放气体(Q f , 大部分被辅助泵(泵速为S 1, 泵口压力为P 1 抽走, 有一小部分流入检漏仪。这时, 流入检漏仪的示漏气体浓度r m in 可用下面的关系式表示:(P 1 S 1+P z S z r m in =Q s m in当r m in =r z m in 时, 被检系统漏入真空容器的漏率才是该检漏系统的检漏灵敏度(Q s m in 。所以

6、, 该检漏系统的检漏灵敏度为(P z m in S z (1 Q s m in =Q z m in (P 1 S 1+P z S z 当检漏系统管道流导很大时, S 1(213 V k t k lg (P k 1 P kz ; 其中V k 表示真空容积; t k 表示抽空时间; P k 1表示初始的压力; P kz 表示终止时的压力。设Q a =Q L +Q f , 则P 1=(Q a -P z S z S 1, 这时, 公式(1 可用式(2 表示:(t k S 1 +Q s m in =Q z m in (Q a -P z S z 213lg (P k 1 P kz V k(P z m in

7、 S z P z S z (2从式(2 可看出, 该检漏系统的检漏灵敏度与检漏仪的自身检漏灵敏度, 检漏仪的泵速以及检漏仪检漏入口的实际压力, 最小压力状态有关; 与辅助泵的泵速有关, 即辅助泵的泵速取决于真空容器的容积(V k 和抽空时间(t k , 其容积的大小又取决与被检系统的大小, 真空容器的容积越大, 需要的辅助泵的泵速也就越大; 辅助泵所达到的压力主要取决于真空容器的气载(Q a , 真空容器的气密性越差, 辅助泵所达到的压力越高。改变限流器和K 阀的工作状态, 可满足P z >P z m in , 实现系统的检漏灵敏。分子泵的选取主要用于缩短检漏反应时间和满足真空容器真空度

8、的要求。在上述检漏系统中, 真空容器可能是动态真空收集器(容纳被检系统的真空罐 , 也可能是被检系统, 或是由真空盒与被检漏系统组成的真空容器, 也可以把真空容器视为动态吸入法的吸枪(限流器 , 只允许Q s m in , Q L , Q f 进入抽气系统, 因此, 公式(1 是检漏方法中“氦罩法”、“真空盒法”、“动态真空收集法”、“动态吸入法”以及“喷氦法”灵敏度估算的共用公式。3检漏灵敏度估算实例在选定检漏方法之后, 可按其检漏灵敏度公式去选定仪器以及有关设备; 再根据仪器, 设备参数, 即可进行检漏系统灵敏度的估算。当灵敏度不能满足设计要求时, 可重新设计, 重新估算其灵敏度。现有两例

9、:例1动态吸入法的灵敏度估算现已选定动态吸入法(氦吸枪法 , 拟采用ZH P -30型逆扩散检漏仪。这种仪器作吸枪检漏, 不需要辅助泵(S 1=0 也具有较短的检漏反应时间, 在保证漏出的示漏气体能全部进入检漏仪的条件下, 公式(1 可简化为Q s m in =Q z m in P z P z m in (3ZH P -30型逆扩散检漏仪, Q z m in =5×10-11Pa m 3 s, P z m in =1Pa, 调吸枪进气量-103P z =4Pa, 实测灵敏度为2×10Pa m s, 用式(3 计算, 灵敏度与实测灵敏度相同。例2动态真空收集法的灵敏度估算一个

10、直径411m , 长812m 的真空容器, 要求其最小真空度为6167×10-5Pa , 总漏率为2×10-7Pa m 3 s , 其真空系统由2台4L s 的机械泵串联1台2J -30型罗茨泵作为F 250分子泵的前级, 并在分子泵出口接一个旁路阀门作为ZH P -30型检漏仪的采样口, 从而实3现对整个真空容器的抽空采样。经试验, 检漏灵敏度为117×10-10Pa m 3 s 的水平。系统检漏灵敏度用式(1 估算, 采用ZH P -30型检漏仪, Q z m in =5×10-11Pa m 3 s, P z m in =1Pa, S z =2L s

11、, 选P z =1Pa; 2台机械泵泵速S 1=8L s, 控制K 可使P 1<1Pa , 将数据代入公式(1 , 系统检漏灵敏度估算值小于215×10-103Pa m s 的水平。4检漏方法的灵敏度估算公式汇总检漏方法很多, 分类方法也很多。现按检漏时被检系统内部压力状态可分为真空检漏法和加压检漏法。在加压检漏法中又分为真空环境收集检漏法和大气环境收集检漏法。它们又包含很多具体的检漏方法, 如表1, 表2, 表3所示。表1真空检漏法检漏法静态升压法(检总漏率喷氦法(检单点漏率 实测漏率, 灵敏度校准以及灵敏度估算公式Q =V P t Q =Q 0U U 0(P z m in

12、S z Q s m in =Q z m in (P 1S 1+P z S z Q =Q 0U U 0氦罩法(检单点漏率、总漏率 (P z m in S z Q s m in =Q z m in (P 1S 1+P z S z Q =Q 0U U 0真空盒法(含检板材单点漏率 (P z m in S z Q s m in =Q z m in (P 1S 1+P z S z 表2真空环境收集检漏法检漏法真空盒法(检单点漏率动态真空收集法(真空罐检总漏率 实测漏率, 灵敏度校准以及灵敏度估算公式Q =Q 0U U 0(P z m in S z Q s m in =Q z m in (P 1S 1+P

13、 z S z Q =Q 0U U 0(P z m in S z Q s m in =Q z m in (P 1S 1+P z S z (U 0 t Q =W UQ s m in =(V 1 P r % t 真空累积法(真空罐检总漏率表3大气环境收集检漏法检漏法压降法(检总漏率气泡法(粗检单点漏率动态吸入法(含H e , K r 85, 卤素吸枪法 (检单点漏率非真空累积法(检总漏率 实测漏率, 灵敏度校准以及灵敏度估算公式Q =V P t (6t Q =( D 3 n P 0 10-6 Q =Q 0U U 0(P z m in S z Q s m in =Q z m in (P 1S 1+P

14、z S z (U 0t Q =W UQ s m in =(V 1 P r % t表1, 表2, 表3的漏率计算参数符号含义如下:3Q , Q 0分别为实测漏率和已知漏率(Pa m m ;Q z m in , Q s m in 分别为检漏仪自身检漏灵敏度和检漏系统设计灵敏度(Pa m m ; 33V , V 1分别为被检系统自身容积和收集器的有效容积(m ;P 被检系统在观测时间内的压力变化值(Pa ;t 被检系统检漏时的观测时间(s ;3W 已知气体量(Pa m ;U 被检系统泄漏信号在检漏仪上反应的净增值(mV ;U 0已知漏率或已知气体量在检漏仪上反应的净增值(mV ;S 1, S 2分别

15、为辅助泵泵速和检漏仪自身泵速(m s ; 3P z 检漏仪检入口处的实际压力(Pa ;P z m in 检漏仪检入口处的最小压力(Pa ;P 1, P 0, P 分别为辅助泵入口压力、气泡内部的压力和收集器内部的压力(Pa ; r 收集器内部的示漏气体本底浓度(体积比 ;%检漏仪对泄漏信号的检测精度(比值 ;n 气泡法检漏时, 观测时间内出现的气泡数量;D 气泡法检漏时, 气泡的直径(c m 。为了方便应用, 每种检漏方法附有实测漏率校准公式(也是该检漏系统的灵敏度校准公式 和该检漏系统的灵敏度估算公式。在检漏方法中, “静态升压法”、“压降法”和“气泡法”的实测漏率计算公式也是该检漏系统的灵

16、敏度估算公式。在采用真空检漏法进行被检系统的检漏时, 被检系统内部处于真空状态, 被检系统外部压力高于其内部压力, 示漏气体是从外部向内部泄漏, 而且被检系统密封结构的漏隙(漏孔 有变小的可能。在采用加压检漏法进行被检系统的检漏时, 被检系统内部处于加压状态, 被检系统内部压力高于其外部压力, 示漏气体是从内部向外部泄漏, 而且被检系统密封结构的漏隙有变大的可能。从而看出, 真空检漏法与加压检漏法是不能相互代替的。被检系统内部的压力状态不但影响被检系统密封结构漏隙的变化, 也影响漏孔(被检系统密封结构的漏隙不变 漏率的变化, 而且漏孔的漏率Q 是压力P 的指数函数4, 即Q =C P k ,

17、式中的C , k 为取决于漏孔(刚性漏孔 自身形状与大小的常数。在选择检漏方法时, 是值得注意的。漏率指标是选择检漏方法的主要依据, 被检系统的漏率指标是工程设计人员给定的, 其确定方法可参照卫星检漏技术一文1。漏率指标过高(是指漏率值越小 , 要求检漏系统的灵敏度也高, 有时需要增购新设备, 采取新工艺新措施, 将给检漏工作带来很大困难或导致大量产品达不到要求而报废; 漏率指标过低(是指漏率值较大 , 保证不了产品质量。要求给一个合理的漏率指标是必要的。一般漏率指标含有一定的安全系数, 为了检漏工作的方便, 工程设计人员直接给定一个室温工况压力下的H e 泄漏漏率指标, 这样一来, 实测漏率

18、真实, 避免了不同压力、不同介质(液体、气体 之间的理论上的漏率换算。这种漏率换算是建立于气体在漏孔中流动状态是分子流或是粘滞流的状态, 而对于实际漏孔, 实际4泄漏状态是分子流还是粘滞流难以确认, “漏率与压力关系的研究”一文就是一种试验的验证。根据被检系统所采用的材料、密封结构形式以及漏率指标和要求, 检漏方法的选择原则是:检漏系统检漏灵敏度不大于1 10的漏率指标, 以保证检漏结果(实测漏率 的精度; 同时要考虑到检漏方法的经济性, 操作简便性, 对产品的安全性和试验周期的长短。参考文献1闫治平, 黄淑英1卫星检漏技术1见高慎斌主编:卫星制造技术(下册 , 北京:宇航出版社, 19981

19、2闫治平, 黄淑英1非真空收集器质谱检漏技术1中国空间科学技术, 1997, 17(5 :41453赵小兵, 马龙1超大型容器的总漏率检定事例1全国真空检漏技术工业应用研讨会论文集, 中国科学院北京科学仪器研制中心, 1999:1281304闫治平, 黄淑英1漏率与压力关系的研究1中国空间科学技术, 1999, 19(2 :4246作者简介闫治平1937年生。1965年毕业于北京邮电学院无线电通讯设备与制造专业。研究员, 主要从事卫星气密性试验工作, 负责研究卫星、飞船的检漏技术与方案, 研制卫星、飞船的检漏设备。获得国防科委重大成果二等奖、部级科学进步三等奖。中 国 空 间 科 学 技 术2

20、002 年 2 月 64 黄淑英1941 年生。1962 年毕业于中国科学院科学技术学校真空技术专业。高级工程 师, 主要从事卫星气密性试验工作及其检漏设备的研制与调试工作。 获得国防科委重大成 果二等奖、 部级科学进步三等奖。 Sen sitiv ity Ca lcula tion Form ula s of L eakage D etecting M ethod Yan Zh ip ing H uang Shuy ing (B eijing Sp acecraft, B eijing 100080 Abstract T he sen sit ivity ca lcu la t ion fo

21、 rm u la s of genera l leakage detect ing m ethod s a re develop ed fo r the som e ob ject ives of selected leakage detect ing m ethod, designed leakage detect ing sy stem and ca lib ra ted sy stem sen sit ivity. detect ion a re app lied in a sea led sy stem. Subject Term L eak detect ion Sen sib ility Select ion D esign T he fo rm u la s fo r the leak ( 上接第 52 页 作者简介 韩潮1960 年生, 1989 年获北京航空航天大学飞行力学专业博士学位。现为北京航 空航天大学教授。 主要研究方向为飞行动力学与控制。 段彬1976 年生, 目前在北京航空航天大学飞行器设计专业读硕士学位。主