Галогенный метод контроля герметичности. Масс-спектрометрический течеискатель для испытания на герметичность методом щупа. Основные методы контроля герметичности

Е. В. Карпунина, В. П. Кряковкин и Н. П. ин (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) МАСС "СПЕКТРОМЕТРИЧ ЕСКИЙ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ

ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ

МЕТОДОМ ЩУПА

Изобретение относится к йспытаниям изделий на герметичность и может быть использовано для испытания любых изделий, работающих при низких температурах.

По основному.авт. св. Ю 5302 13 известен масс-спектрометрйческий течеискатель для испытания на герметичность методом щупа, содержащий.анализатор, насосную систему для создания в нем рабочего давления, щуп с вса1О сывающим и рассеивающим соплами, охлаждаемую азотную ловушку, включенную в линию между анализатором и всасывающим соплом щупа и выполненную

15 в виде замкнутого резервуара с отводом к рассеивающему соплу, при этом в азотной ловушке расположена адсорбционная колонка. Течеискатель работает следующим образом: поверхность иэделия, заполненного пробным газом, обследуют щупом течеискателя; пары азота из охлаждаемой азотной ловушки поступают по отводу к рассеивающему соплу щупа и создают вокруг всасывающего сопла защитную среду от фоновых потоков пробного газа и потоков от течей, расположенных вне зоны, обследуемой в данный момент; пробный газ, вытекающий из течи, поступает через всасывающее сопло в масс-спектрометрический анализатор и регистрируется им Щ.

Недостатком течеискателя является недостоверность испытания изделий, работающих при низких температурах, так как в этих случаях в связи с температурными деформациями изделия возможно возникновение течей, отсутствующих в изделии при нормальной темпе-, ратуре.

Цель изобретения - повышение достоверности испытания изделий, работающих при низких температурах, эа счет обеспечения в течеискателе возможности моделирования в зоне течи на изделии низких температур.

Указанная цель достигается тем, что масс-спектрометрический течеискатель для контроля герметичности иэ" елей методом щупа, содержащий анализатор, насосную систему для создания в нем рабочего, давления, щуп с всасывающим и рассеивающим. соплами, охяаждаемую азотную ловушку, включенную в линию между анализатором и всасывающим соплом щупа и выполненную 10 в виде замкнутого резервуара с адсорбционной колонкой и отводом к рассеивающему соплу, снабжен трубкой, установленной в резервуаре.с возможностью погружения одного ее конца в хладагент и подключения второго конца.:к отводу, а резервуар подсоединен к источнику давления. При этом. поверх. ность щупа и отвода покрыты слоем теплоизоляции. 20

На чертеже изображен масс-спект" рометрический течеискатель, продольный разрез.

Масс-спектрометрический течеискатель содержит анализатор 1, соединен- ный с насосной системой, включающий механический 2 и пароструйный 3 насосы. Щуп 4 с рассеивающим 5 и всасывающим 6 соплами и иглой 7, регулирующей проводимость сопла 6 через З0 охлаждаемую азотную ловушку 8, выполненную в виде резервуара с адсорбционной колонкой 9 с адсорбентом 10, трубопровод 11 и входной клапан 12 соединен с анализатором 1. Резервуар зэ ловушки 8 заполнен хладагентом.(жидким азотом) и закрыт крышкой 13, на которой установлен клапан 14, регулирующий давление в резервуаре, который через отвод 15 соединен с рассе- 40 ивающим соплом 5, В резервуаре азотной ловушки 8 размещена трубка 16 с воэможностью погружения одного ее конца в хладагент и подсоединения к

Отводу 15, при этом поверхность щу- м

4 ф па 4 и отвода 15 покрыта слоем теплоизоляции 17. К резервуару азотной ловушки 8 подключен источник 18 давления.

Течеискатель работает следующим образом.

Поверхность изделия, заполненного пробным газом, обследуют щупом 4 течеискателя. В резервуаре охлаждаемой азотной ловушки 8 с помощью источника 18 давления повышают давление и хладагент из резервуара по трубке 16 и отводу 15 поступает через рассеивающее сопло 5 на поверхность изделия.

При этом происходит охлаждение поверхности и моделируются условия работы изделия при низких температурах.

Пробный гаэ через всасывающее сопло 6 поступает в анализатор t.

Охлаждение зоны. течи на изделии жидким хладагентом с одновременным созданием защитной среды вокруг всасывающего сопла щупа позволяет повысить достоверность испытания изделий, работающих при низких температурах, беэ охлаждения всего изделия.

Формула изобретения

Масс-спектрометрический течеискатель для испытания на герметичность методом щупа по авт. св. У 5302 13, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности испытания изделий, работающих при низких температурах, он снабжен трубкой, установленной в резервуаре с возможностью погружения одного ее конца в хладагент и подключения второго конца к отводу, а резервуар подсоединен к источнику давления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

И 530213, кл. G 01 М 3/00, 1975..926544

Составитель А. Корвина

Редактор С.Юско Техред И. Рейвес Корректор Ю. Макаренко

»» »»» »»» » »»»»»»»»»»»а»»а»»»»

Контроль герметичности и поиск течей осуществляются способами обдува и гелиевых чехлов (камер), способом щупа, барокамеры, вакуумных присосок и способом накопления. Способ обдува и гелиевых чехлов в основном применяется для испытаний вакуумных систем с собственными средствами откачки и элементов вакуумных систем. В этом случае на наружную поверхность изделия подается пробный газ. Во внутренней полости изделия создается разрежение и фиксируется проникновение в нее пробного газа.

Метод щупа гелиевого течеискателя, барокамеры и вакуумных присосок применяются для испытаний изделий, в которых нельзя или нецелесообразно создавать разрежение. В этом случае в изделии создается избыточное давление пробного газа и фиксируется проникновение его на наружную поверхность. Способом вакуумных присосок, кроме того, могут быть испытаны изделия без замкнутой оболочки, например листы металла на целостность. Способ накопления может явиться разновидностью любого из перечисленных способов, за исключением, пожалуй, способа щупа.

В вакуумной технике наибольшее распространение получили способы обдува и гелиевых чехлов, причем первый обычно применяется для поиска течей, второй - для контроля герметичности. В обоих случаях вакуумная система течеискателя соединяется с вакуумной системой испытуемой установки. Рекомендуется подключать в форвакуумную линию испытуемой установки.

Метод обдува

Рис. 4.44. Метод обдува.

Схематически основные методы контроля герметичности с помощью гелиевого течеискателя приведены ниже.

Вакуумирование исследуемого объема откачными средствами самого течеискателя (или комбинированными средствами) и последующий обдув гелием предполагаемого места течи.

Обдув гелием испытуемой установки производится, начиная с той точки рабочей камеры установки, которая наиболее удалена по схеме вакуумной системы испытуемой установки от низковакуумного насоса и которая находится выше других в пространстве, постепенно приближаясь к низковакуумному насосу, как по схеме вакуумной системы, так и по расположению в пространстве обследуемых участков оболочки вакуумной системы.

Обдув производят с помощью обдувателя, входящего в комплект течеискателя, присоединяемого к баллону с гелием. На практике же всегда имеется возможность разместить поблизости баллон с гелием. Тогда удобно пользоваться медицинской кислородной подушкой, заполненной гелием. При отсутствии обдувателя в качестве такового может быть использована игла от медицинского шприца или тонкая, сплющенная на конце металлическая трубка.

Проводя испытания разветвленных вакуумных систем с большой длиной соединительных трубопроводов способом обдува, необходимо учитывать временные характеристики течеискателя и высоковакуумного насоса испытуемой установки. Начиная с момента поднесения струи гелия к течи, содержание его в рабочей камере испытуемой установки увеличивается. Общее количество гелия в высоковакуумной части испытуемой установки определится разностью потоков гелия, поступающего через течь и удаляемого в результате откачки.

Характер изменения концентрации пробного газа в течеискателе при обдуве испытуемой установки будет аналогичен изменению концентрации пробного газа в галогенном течеискателе при испытаниях способом щупа (см. рис. 4.42).

Рис. 4.42.

Для обеспечения эффективного поиска течей скорость перемещения обдувателя должна быть равна 1 см/с для большинства реальных условий испытаний. Снижение скорости перемещения обдувателя неоправданно увеличит длительность испытаний, увеличение скорости перемещения обдувателя может привести к пропуску малых течей.

Достоинства: высокая чувствительность, возможность глобального (метод гелиевого чехла) и локального (обдув) контроля герметичности, относительно невысокая стоимость.

Недостатки: большое время реагирования (сильно зависит от объема изделия и средств откачки); при использовании дополнительных средств откачки возможно снижение пороговой чувствительности.

Метод барокамеры

Рис. 4.44. Метод обдува.

Используется для глобального контроля герметичности. Исследуемый объект помещается в вакуумированную камеру и наддувается гелием.

Достоинства: самая высокая чувствительность, проверка всего объекта, небольшое время отклика.

Недостатки: высокая стоимость, ограничения по механической прочности контролируемого изделия и по его габаритам.

Метод щупа

Рис. 4.46. Метод щупа.

Исследуемый объект наддувается гелием и далее обследуется при помощи щупа течеискателя. Для осуществления этого способа к течеискателю через вакуумный шланг присоединяется щуп. Устанавливается такой поток газа через щуп, чтобы в масс-спектрометрической камере течеискателя поддерживалось рабочее давление. Испытания проводятся так же, как и испытания с применением галогенного течеискателя. Чувствительность до 10 -7 атм см 2 /с (или до концентрации гелия 0,1 ррм).

Достоинства: метод недорогой, потребная вакуумная мощность течеискателя не зависит от исследуемого объема, возможно исследование объектов, которые нельзя вакуумировать.

Недостатки: ограниченная чувствительность, эффективность зависит от оператора, время отклика зависит от длины щупа (для щупа длиной 5 м время отклика составляет 1 с).

Метод обратного тока

Рис. 4.47. Метод «обратного тока»

Метод - двухэтапный:

1. Выдержка исследуемого объекта в камере с избыточным давлением гелия (около 3 бар).
2. Объект вентилируется и помещается в камеру, вакуумируемую течеискателем (как правило до 1x10 -2 бар). Применение: контроль цельных (запаянных, сваренных), неразмыкаемых объектов.

Достоинство: относительно высокая чувствительность, подходит для тестирования герметичных (опрессованных) изделий.

Недостатки: предназначен в основном для маленьких изделий, этап в гелиевой камере занимает продолжительное время, нельзя обнаружить большие течи.

Способ вакуумных присосок нашел широкое распространение в вакуумной технике для контроля герметичности элементов вакуумных систем в процессе их изготовления. Испытания способом вакуумных присосок проводятся обязательно со вспомогательным низковакуумным насосом. С течеискателем гибким вакуумным шлангом соединяется вакуумная присоска. Конструкция вакуумных присосок бывает самая различная в зависимости от формы проверяемых поверхностей. Для проверки плоскости это обычно металлический лист необходимой формы с приклеенным к нему по контуру резиновым уплотнителем или вакуумным шнуром достаточно большой высоты. Наибольшее распространение получили присоски в виде металлического стакана (рис. 4.48).

Рис. 4.48. Контроль герметичности электрического ввода с помощью вакуумной присоски: 1 - проверяемое изделие; 2 - вакуумная присоска; 3 - резиновый вакуумный шланг для присоединения к течеискателю.

Методы течеискания весьма разнообразны и существенно различаются по чувствительности, избирательной реакции на пробное вещество, принципам обнаружения утечки этого вещества, по виду используемых при реализации метода пробных веществ и т.д.

Классификация методов. Методы контроля герметичности разделяются на три группы в зависимости от вида применяемых пробных веществ:

а) газовые, когда в качестве пробного вещества используется какой-либо газ (гелий, аргон, воздух и др.);

б) газо-гидравлические, когда в качестве пробного вещества используется газ (например, воздух), а жидкость играет роль вспомогательной среды при определении факта и места утечки газа;

в) гидравлические, когда в качестве пробного вещества используется жидкость (например, вода, масло).

В табл. 10.2 приводится краткая характеристика основных методов контроля герметичности.

Анализ табл. 10.2 показывает, что существует широкий спектр, используемых в практике методов контроля герметичности, позволяющих обеспечить контроль течей в, широком диапазоне. В то же время приведенная таблица является лишь ориентиром при выборе конкретного метода контроля. В дальнейшем достаточно подробно рассматриваются наиболее распространенные методы контроля герметичности изделий, их достоинства и недостатки. На рис. 10.1 для наглядности показаны области применения наиболее распространенных методов контроля по Диапазону контролируемых утечек пробного вещества. Пунктирные линии характеризуют пределы индикации потока только в определенных условиях, например при использовании дополнительных веществ и материалов, не характерных для использования в классической трактовке соответствующего метода.

Масс-спектрометрический метод. Впервые метод был использован в ядерной физике и электронике. Он находит широкое применение в практике промышленных испытаний. Это объясняется прежде всего его высокой чувствительностью при всех видах вакуумных и атмосферных испытаний. Широкому распространению метода во многом способствует серийный выпуск масс-спектрометрических течеискателей, длительный опыт их эксплуатации, широкая вариантность их использования, в том числе в режиме автоматизации. В отличие от других методов течеискания масс-спектрометрический метод позволяет оценить течь не только качественно, но и выполнить количественные измерения потока через нее с точностью до 10%.

Метод основан на создании повышенного парциального давления пробного газа с одной стороны поверхности ОК и отбора пробного вещества с другой стороны для масс-спектрометрического анализа на присутствие молекул пробного газа.

Таблица 10.2

Основные методы течеискания

Продолжение табл. 10.2

Рис10.1области применения основных методов контроля герметичности

Парциальное давление газа - давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.

В процессе испытаний поток пробного газа, вытекающий через сквозной дефект, по пути, движения в масс-спектрометрическую камеру ионизируется потоком электронов, формируемых с помощью ионизатора. Этот процесс показан на рис. 10.2. Масс-спектрометр содержит следующие основные узлы: ионный источник, где молекулы пробного газа превращаются в ионы (с массой m , зарядоме ) и создается пучок ионов с постоянной энергией; анализатор, где ионный пучок разделяется на составляющие по значениюm /е ; коллектор, которым эти составляющие регистрируются и измеряются их пиковые значения. Ионный источник состоит из камеры 2, в которую попадает пробный газ. От накаленного катода 1 в камеру с положительный Напряжением относительно катода идет пучок электронов, который ионизирует газ. Для фокусировки электронов вдоль направления их движения создают магнитное поле Н 1 вдоль линий которого электроны распространяются по спирали. Две диафрагмы 3 и 4 формируют направленный пучок ионов и разгоняют его благодаря разности потенциаловU 0 . Ионы разгоняются до одинаковой энергии, которая определяется формулой

(10.4)

где V - скорость ионов. Из-за разности масс ионов эта скорость разная для ионов разных элементов. Далее ионы попадают в анализатор, который состоит из масс-спектрометрической камеры и системы коллекторов. В камере с помощью вакуумных насосов создается вакуум порядка 1,33 10 -3 Па. Перпендикулярно движению ионов создается магнитное поле Я. Под действием лоренцевой силыeVH ионы движутся по траекториям в виде окружностей радиуса R. Из второго закона НьютонаmV 2 /R = eVH подставляяV , находим радиус траектории

Таким образом, радиус траектории зависит от отношения m /е . В анализаторе ионы отклоняются на угол 180°. При этом возникает эффект фокусировки: ионы, выходящие из источника в виде пучка, расходящегося под некоторым углом, отклонившись на 180°, вновь собираются в полосу. Перед коллектором 6 (см. рис. 10.2) имеется дифрагма 5 с входной щелью в месте фокуса пучка ионов с заданным значением массового числа, соответствующим однозарядным ионам пробного газа. Ионный ток коллектора в дальнейшем усиливают и регистрируют выходным измерительным прибором. Появление пробного газа в газовой смеси, подаваемой в камеру 2, резко увеличивает ионный ток.

Рис. 10.2. Принцип работы масс-спектрометрического течеискателя

В качестве пробного газа при реализации масс-спектрометрического метода обычно используют гелий. Он обладает рядом достоинств. По величине m /е гелий очень сильно (на 25%) отличается от ближайших ионов других газов. Это допускает применение широкой щели в диафрагме 5. Малое значениеm /е для гелия способствует уменьшению радиуса траектории, а следовательно, размеров всего течеискателя. Гелий обладает малой молекулярной массой и, следовательно, хорошо проникает через малые течи. Гелия в воздухе содержится мало (10 -4 %), поэтому фоновые эффекты течеискателей основанных на масс-спектрометрическом методе, сравнительно невелики. Гелий стоит недорого, он химически инертен.

Масс-спектрометрические течеискатели состоят из узлов и систем, обеспечивающих процессы регистрации утечки пробного газа, преобразования и обработки информации.

Чувствительным элементом течеискателя служит, как правило, 180-градусный магнитный анализатор 3 (рис. 10.3), преобразующий утечку в электрический аналоговый сигнал, усиливаемый усилителем. В связи с тем, что процесс разделения ионов пробного вещества происходит при высоком вакууме, все масс-спектрометрические течеискатели имеют, вакуумную систему 4, состоящую из форвакуумного и высоковакуумного насосов, вакуумной коммуникации, клапанов и азотной ловушки.

Для управления электромагнитными клапанами, узлами вакуумной системы и другими элементами течеискатели снабжаются системой управления 1, регистратором вакуума и утечки 2. Течеискатели последних моделей имеют встроенные микропроцессорные блоки или микроЭВМ 5 для обработки информации течеискателя, оптимизации его работы и диагностики основных систем.

Рассмотрим принцип работы и конструкцию масс-спектрометрического течеискателя. Масс-спектрометрический течеискатель представялет собой высокочувствительный магнитный масс-спектрометр, настроенный на регистрацию пробного вещества. Он состоит из двух основных частей: вакуумной системы и электронного блока. Вакуумная система (рис. 10.4) включает масс-спектрометрическую камеру с постоянным магнитом, паромасляный насос 11, механический насос 1,калиброванную гелиевую течь 14, азотную ловушку 8, форвакуумный баллон 5,. вакуумный датчик 7, термопарный манометрический преобразователь 2, отсечные клапаны 4, 6, 10, 13, напускной клапан 3, клапан дросселирования откачки 9 и входной клапан 12.

Масс-спектрометрическая камера выполняет основные функции течеискателя. Она включает ионный источник и приемник ионов. Рабочее давление (0,7 10 -2 Па) в масс-спектрометрической камере обеспечивается откачной системой, состоящей из механического (например, НВР-0,5 Д) и паромасляного (например, Н-0,025-2) насосов. Механический (форвакуумный) насос обеспечивает вакуум в системе течеискателя 0,1...1 Па. Паромасляный насос увеличивает вакуум до 10 -4 ...10 -5 Па. Азотная ловушка способствует защите масс-спектрометрической камеры от замасливания и стабилизирует вакуум в ней. Для контроля чувствительности течеискателя служит калиброванная гелиевая течь типа «Гелит», обеспечивающая заданный поток газа за счет диффузии гелия через кварцевую мембрану. Новые гелиевые течи вместо кварцевой мембраны (рис. 10.5). Пробный газ заполняет капилляр 1 через открытие концы 2 полого петлеобразного волокна проходящего через перегородку 3, в корпусе 4, а затем диффундирует через стенки волокна, создавая поток, направляемый дальше в испытуемую полость. К достоинствам таких течей относится повышенная эксплуатационная надежность и более широкий круг пробных веществ, с которыми может работать такая течь.

Электронная часть течеискателя выполнена в виде панели управления 1 и отдельных блоков: измерения ионного тока 3 с выносным электрометрическим каскадом 2, измерения давления 4, питания вакуумных клапанов 5, питания камеры 6. Взаимосвязь перечисленных блоков между собой, масс-спектрометрической камерой 7 и вакуумной системой 8 показана на рис. 10.6.

Настройку течеискателя выполняют с помощью калиброванной течи. Прежде всего определяют амплитуду флуктуации фонового сигнала как разность между максимальным афтах и минимальным а ф max значениями фонового сигнала:

(10.6)

Затем определяют минимальный поток гелия по формуле

(10.7)

где J т - поток гелиевой течи (по маркировке на корпусе течи), м 3 Па/с;а т - сигнал от течиJ т, в делениях шкалы. Цену деления стрелочного прибора блока измерения ионного тока течеискателя находят из формулы

(10.8)

Поток натекания J г в м 3 Па/с при работе с чистым гелием оценивают по формуле

(10.9)

где а г - отсчет по стрелочному прибору, обусловленный натеканием гелия в испытуемый объем. Если вместо чистого гелия используют смесь гелия с воздухом, то в формулу (10.9) добавляют множитель 1/j , гдеj - концентрация гелия в смеси.

Общий вид одного из отечественных течеискателей представлен на рис. 10.7. Он имеет порог чувствительности к потоку пробного газа 7 10 -13 м 3 Па/с, обеспечивает полуавтоматический выход на режим высоковакуумной откачки анализатора после нажатия кнопки «Пуск» и полуавтоматическое выключение течеискателя после нажатия кнопки «Стоп», допускает непрерывную работу в течение суток при сохранении своих технических характеристик. Течеискатель снабжен различными системами, предохраняющими его от неблагоприятных ситуаций. При повышении давления в анализаторе до уровня, примерно 2 10 -2 ...3 10 -2 Па автоматически отключается накал катода ионного источника анализатора. При аварийном отключении напряжения сети питания автоматически обеспечивается закрытие клапана ПМН (откачка паромасляного насоса) и открытие клапана «Напуск» (напуск атмосферы). Течеискатель состоит из двух основных блоков: СВ-14 (система вакуумная) и УР-14 (устройство регистрирующее).

Устройство течеискателя показано на рис. 10.8.

Основной узел - масс-спектрометрический анализатор 6, на вход которого через клапаны 4 и 7 с электромагнитными приводами; азотную ловушку 2 и клапан с ручным приводом 3 подается поток пробного вещества. Коллектор ионов анализатора соединен со входом электрометрического усилителя 5, сигнал с которого подается на усилитель постоянного тока 21. Одновременно с помощью прибора 9 контролируется сигнал течеискателя. На выход этого усилителя включены стрелочный прибор, акустический и световой индикаторы. Дли контроля чувствительности течеискателя служит гелиевая течь 12. Рабочее давление в масс-спектрометрическом анализаторе обеспечивается откачной системой, состоящей из пластинчато-роторного насоса типа 3НВР - 1Д 20 и паромасляного насоса-типа Н-0,25-2 13. Контроль давления на входе со стороны ОК и в линии предварительного разрежения осуществляется манометрическими преобразователями 11 и 16 типа ПМТ-6-3, а контроль давления в высоковакуумном объеме течеискателя осуществляется магнитным электроразрядным манометрическим преобразователем 8. Управление вакуумной системой течеискателя при его включении, выключении и работе производится с помощью электромагнитных клапанов 4, 7, 14, 15. Клапаны 1, 3, 10 с ручными приводами.

Управление электромагнитными клапанами осуществляется от блока управления 17. Программу полуавтоматического управления процессом включения и выключения течеискателя задает устройство вакуумной автоматики 22. Органы ручного управления находятся на панели управления 18. Состояние вакуумной системы отражается единичными индикаторными устройствами индикации 19. В регистрирующем устройстве УР-14 находятся также стабилизатор эмиссии 23, элементы индикации 24 и блок питания 25.

Разнообразие объектов по объему и рабочим характеристикам обусловливает разнообразие способов осуществления масс-спектрометрического метода испытаний. На выбор способов испытаний существенное влияние оказывают условия эксплуатации объектов и требования к степени их герметичности.

Рис 10.7, Масс-спектрометрический течеискатель типа ТИ 1-14

Рис. 10.8. Блок-схема течеискателя ТИ 1-14

Общая методология испытаний объектов на герметичность такова. Как правило, на первом этапе испытаний осуществляют оценку общей герметичности испытуемого объекта. В дальнейшем, если возникает в этом необходимость, ведется поиск течей и уточнение месторасположения негерметичных участков. После устранения выявленных течей повторяют первоначальный этап испытаний с целью установления степени герметичности ОК. При этом наилучших результатов достигают в условиях, когда весь газовый поток прокачивается через течеискатель. Поэтому рекомендуется испытания объектов, поток газоотделения которых не превышает допустимый рабочий поток течеискателя, производить при отключенных средствах вспомогательной откачки и пропускать весь газовый поток через течеискатель. Например, для течеискателя ТИ1-14 максимальный допустимый рабочий поток составляет J = 2 10 -4 м 3 Па/с.

Рис. 10.9. Типовые схемы испытаний

В практике испытаний применяют способ гелиевых камер и чехлов, способ вакуумной камеры (барокамеры), способ вакуумных присосок, способ накопления пробного газа в камере, способ щупа и др. Рассмотрим типовые схемы испытаний, реализующие конкретные способы контроля. На рис. 10.9, а приведена схема, используемая, для испытания отдельных элементов или частей объектов, суммарный газовый поток которых превышает предельно допустимый поток течеискателя. На этой схеме, как и на всех последующих, штрихпунктирной линией обозначен течеискатель. Здесь выделены насосная группа (форвакуумный и диффузионный насосы) и анализатор 9, гелиевая течь 6, ручной клапан 7 для подключения гелиевой течи, электромагнитный клапан 5 для защиты входа, преобразователь давления 4 для контроля вакуума, клапан 8 используется для дросселирования входа течеискателя. Вспомогательный форвакуумный насос 3 подключается к объекту 1 через клапан 2. Этот насос отключается сразу после получения форвакуума (0,1... 1 Па) в объектах и в соединительных линиях, если суммарный газовый поток не превышает предельно допустимого потока течеиекателя. Если же суммарный газовый поток превышает допустимый, то испытания проводят с постоянно работающим механическим насосом. Проверяемый объект по этой схеме подсоединен непосредственно к входному фланцу течеискателя.

В отличие от предыдущей схему, приведенную на рис. 10.9, б, применяют при испытаниях объектов или их частей с большим газовым делением и натеканием, а также в случае подсоединения течеискателя к высоковакуумному объекту. Объект испытаний по этой схеме подключается через клапан 2 к высоковакуумному насосу 10, который в свою очередь соединен е форвакуумным насосом 3.

Рис. 10.10. Типовые схемы испытаний с локализацией течи

Когда возникает необходимость обеспечить максимальный отбор газа в течеискатель и малое время установления сигнала и тем самым обеспечить индикацию малых потоков, применяют схему, приведенную на рис. 10.9, в. Особенно часто такую схему используют при испытании сильно газовыделяющих или сильно натекающих объектов большого объема.

Использование высоковакуумного (например, паромасляного) насоса для вспомогательной откачки часто позволяет даже при большом газоотделении или натекании проверяемого объема получить в нем низкое общее давление, не превышающее максимальное рабочее давление в масс-спектрометрической камере течеискателя. Это дает возможность проводить испытания при полностью открытом входном вентиле течеискателя.

Способ щуповых испытаний (рис. 10.10, а) применяется для обнаружения мест течи в газонаполненных объектах. Щуп 1 представляет собой всасывающее устройство, проводимость которого: обеспечивает прохождение через него потока 2 10 -3 ...5 10 -3 м 3 Па/с. Все обозначения в блоке течеискателя (обведенные штрихпунктирной линией) на рис. 10.10 идентичны обозначениям в. блоках течеискателя на рис. 10.9. Щуп перемещают вдоль поверхности испытуемого объекта, заполненного гелием. Для контроля терметичности листовых заготовок, незамкнутых, а также газонаполненных объектов и их частей применяют способ вакуумных присосок, реализация которого может быть выполнена по схеме на: рис. 10.10, б. При этих испытаниях вакуумная присоска 1 устанавливается на проверяемом участке поверхности, с противоположной стороны которой подается гелий.

В процессе испытаний малогабаритных изделий, проверяемых в цикле высокопроизводительного контроля, используется схема; приведенная на рис. 10.11. Схема включает ОК 2, размещенный в камере 1. Внутри объекта создается избыточное давление газа. Для создания в камере вакуума 0,7...10 -2 Па используется форвакуумный насос 17 и высоковакуумный насос 19. Вакуумметры 26 и 25 применяют для контроля низкого и высокого вакуума соответственно. Для контроля утечки из ОК 2 гелия в камеру в схему включается течеискательное масс-спектрометрическое устройство (течеискатель), включающее масс-спектрометрическую камеру 23, форвакуумный 18 и высоковакуумный 20 насосы, азотную ловушку 21, контрольную течь «Гелит» 22, вакуумметры 27 и 28 и другие вспомогательные элементы. В процессе контроля герметичности объекта в камере предварительно создается необходимый вакуум, затем после соответствующей подготовки подключается масс-спектрометрическая камера 23 являющаяся преобразователем утечки в электрический сигнал. Элементы схемы соединены через вентили 3...15.

В последнее время при реализации масс-спектрометрического контроля все более широкое применение находят турбомолекулярные насосы (ТМН). Интерес, проявляемый к ТМН, не случаен. Эти насосы обладают рядом достбинств, такими, как небольшое время подготовки к испытаниям (3...5 мин), отсутствие необходимости использовать жидкий азот в процессе контроля, в спектре остаточного газа ТМН в значительной мере отсутствуют пары углеводородов, масс-спектрометрическая камера защищена от проникновения воздуха. Кроме того, у них значительно меньшая степень сжатия легких газов, чем более тяжелых.

Рис. 10.13. Структурная схема противотокового масс-спектрометрического контроля

Турбомолекулярные насосы удаляют газ из вакуумной системы с помощью движущихся частей. Такой способ работы насоса называется молекулярной откачкой. На практике более широкое применение получили ТМН с взаимно перпендикулярным движением рабочих поверхностей и потока (указан стрелками) откачиваемого газа (рис. 10.12). В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные колеса выполняют в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. Быстрота откачки ТМН слабо зависит от рода газа. Предельное давление 10 -7 ...10 -9 Па. На основе ТМН оказалось возможным создать противотоковый способ масс-спектрометрического контроля (рис. 10.13). Изделие 1 соединяют с форвакуумным насосом 4 и с линией предварительной откачки турбомолекулярного насоса 3. При обдуве объекта гелием и при наличии сквозных дефектов гелий, как пробное вещество, проникает через ТМН в направлении, противоположном направлению откачки в камеру масс-спектрометрического течеискателя 2 в результате диффузии.

На основе рассмотренной схемы созданы и создаются течеискательные установки и автоматизированные системы контроля герметичности. Отметим также, что в условиях больших газовых нагрузок способ противотока обеспечивает повышение чувствительности примерно в 6...8 раз. Учитывая приведенные выше достоинства масс-спектрометрических схем с ТМН, разработчики все чаще обращаются к их практической реализации.

Галогенный метод. Метод широко применяется в технике течеискания и успешно конкурирует с другими методами. Метод используется при контроле изделий больших объемов или систем с сильно разветвленными трубопроводами. Ему отдается предпочтение при контроле герметичности объектов, в которых галогеносодержащие вещества используются в качестве технологических (аэрозольные упаковки, кондиционеры, холодильники и др.).

Галогены (от греч. halos и genes - рождающий) - химические элементы фтор, бром, йод, хлор, составляющие главную подгруппу VII группы периодической системы.

Галогенный метод основан на использовании эффекта увеличения термоионной эмиссии с поверхности накаленной платины в присутствии галогеносодержащих веществ (хладоны, четыреххлористый углерод и т.д.). Впервые этот эффект был обнаружен в 1944 г. Райсом. Автор этого открытия и другие специалисты, впоследствии изучавшие этот эффект, установили, что явление наблюдается как при атмосферном давлении, так и в вакууме, но в любом случае необходимо присутствие некоторого количества кислорода или воздуха. Галогенные устройства, основанные на этом эффекте, имеют характерную зависимость приращения тока от концентрации пробного вещества, которая имеет максимум по току, затем уменьшается, несмотря на увеличение концентрации галогенов.

На основании анализа последующих работ доказано, что в основе галогенного метода лежит каталитическая химическая реакция. Она происходит в несколько стадий: термическая диссоциация исходной молекулы пробного вещества, образование оксидов галогенов на поверхности платины и их распад. Плотность эмиссионного тока пропорциональна скорости этой основной реакции. Параллельно протекает реакция дезактивации чувствительного элемента благодаря воздействию углерода, образующегося при термическом распаде галогенов.

В качестве пробных галогеносодержащих веществ используются фреоны (хладоны), например фреон-12, фреон-22. Характеристика этих фреонов приведена в табл. 10.3.

Таблица 10.3

Фреоны - химически инертные и малотоксичные вещества. Обезвоженные фреоны в жидком и парообразном состоянии совершенно инертны ко всем металлам. Однако будучи хорошими растворителями многих органических веществ, вызывают набухание уплотняющих прокладок. Поэтому, когда применяется фреон как пробное вещество, используют фреоностойкую резину. Для фреона-22 рекомендуются прокладки из политетрафторэтилена.

Галогенный метод, так же как масс-спектрометрический, позволяет вести контроль герметичности по различным схемам, в том числе на его основе проводить испытания в автоматизированном режиме.

Широкому промышленному применению метода в стране и за рубежом способствует серийный выпуск галогенных течеискателей - приборов, простых и надежных в эксплуатации и вместе с тем обладающих достаточно высокой чувствительностью.

Чаще всего галогенный метод используют по способу щупа, при котором внутрь вводят галогеносодержащее пробное вещество, а снаружи вдоль предполагаемых мест течей перемещают щуп, соединенный с регистрирующим прибором (течеискателем). Чтобы не загрязнять помещение галогенами, перед испытаниями с помощью галогенного течеискателя необходимо произвести испытания менее чувствительными методами, например манометрическим. Испытания галогенным течеискателем можно начинать только после того, как грубые течи устранены или установлено, что они отсутствуют. Это правило важно иметь в виду всегда, когда используется какой-либо высокочувствительный метод контроля герметичности или когда в процессе испытаний применяется пробное вещество, потери которого нежелательны по экономическим или экологическим соображениям.

Испытания можно производить чистым фреоном или смесью фреона с воздухом. Как правило, испытания чистым фреоном проводят при небольших объемах ОК в соответствии со схемой, представленной на рис. 10.14. Предварительно с помощью вакуум-насоса 3 через вентили 2 и 4 ОК 5 откачивают воздух, создавая небольшое разрежение. Затем через вентиль 1 ОК заполняют фреоном, давление которого ограничивается упругостью пара фреона при температуре испытаний. Так, например, при температуре 20°С давление паров фреона составляет 0,573 10 -5 Па = 5,78 кгс/см 2 . После заполнения ОК фреоном производят обследование с помощью щупа галогенного течеискателя. После проведения испытаний фреон поступает на регенерацию с целью последующего его использования при дальнейших испытаниях.

При испытаниях смесью фреона с воздухом рекомендуется схема, представленная на рис. 10.15. В этом случае в ОК 5 под давлением впускают сначала некоторое количество газообразного фреона, а затем внутрь ОК через вентиль 6 подают сжатый воздух для создания необходимого давления смеси фреона и воздуха (остальные обозначения - как на рис. 10.14). Этим обеспечивается необходимая чувствительность испытаний при малой концентрации фреона как пробного вещества. После проведения испытаний смесь удаляют из ОК с помощью системы регенерации. Чувствительность испытаний труб галогенным течеискателем определяют по формуле

(10.10)

где С - концентрация фреона в смеси,Р с - давление смеси газов;Р а - атмосферное давление; η с - вязкость смеси газов, η в - вязкость воздуха.

Изменяя давление смеси или концентрацию фреона, можно в широких пределах изменять чувствительность испытаний.

Рис. 10.16. Чувствительный элемент галогенного течеискателя

Галогенные течеискатели основаны на использовании свойства накаленной платины резко увеличивать эмиссию положительных ионов в присутствии веществ, содержащих галогены.

Чувствительный элемент течеискателя, закрепленный на основании 4, представляют собой платиновый диод с навитым на керамическую трубку анодом прямого накала (рис. 10.16). Испаряемые из керамического полого элемента 3 щелочные металлы ионизируются на накаленной поверхности платины эмиттера 1. Ионы из него поступают на второй электрод - платиновый коллектор 2, соединенный со входом усилителя постоянного тока. Стрелочный прибор на выходе усилителя регистрирует увеличение ионного тока при обнаружении течи. Сигнал дублируется звуковым индикатором.

Галогенный преобразователь выполнен как щуп пистолетного типа. В передней его части расположен чувствительный элемент. Вентиляционное устройство расположено за чувствительным элементом и обеспечивает непрерывный проток через него газовоздушной смеси.

В комплект серийного галогенного течеискателя ГТИ-6 кроме атмосферного преобразователя входит также вакуумный преобразователь. Он смонтирован на фланце и содержит, кроме чувствительного элемента, кислородный инжектор, разогреваемый собственным теплом работающего преобразователя. Инжектор выделяет кислород в результате термического разложения марганцево-кислого калия (КМnО) 4 . Применение кислородного инжектора способствует сохранению высокой чувствительности преобразователя, работающего в условиях высокого вакуума.

Галогенные течеискатели снабжают калиброванной течью «Галот», действие которой основано на равновесном истечении сублимирующего пара твердого вещества (гексахлорэтана) через постоянно открытое малое отверстие. При этом имитируется поток фреона-12 в диапазоне от 0,9 10 -7 до 1,3 10 -6 м 3 Па/с.

Для испытания объектов (изделий) в полевых условиях или при необходимости обеспечения автономности питания используются батарейные течеискатели типа БГТИ-7, которые имеют блок регистрации с чувствительным элементом и блок аккумуляторов.

С 1988 г. начат серийный выпуск галогенных течеискателей ТИ2-8, порог чувствительности которых соответствует порогу чувствительности течеискателя ГТИ-6. Однако течеискатель ТИ2-8 выполнен на новой элементной базе, более компактен и удобен в работе. Он предназначен для контроля герметичности различных систем и объемов, допускающих откачку внутренней полости, а также заполненных хладоном и смесью газов, содержащих галогены. Постоянная времени течеискателя не более 1,5 с. Конструктивно он выполнен в виде выносного щупа и регистрирующего устройства. Кроме этого он снабжается вакуумным датчиком и обдувателем. Порог чувствительности 1 10 -7 м 3 Па/с. На его основе могут быть реализованы испытания как в атмосферных условиях, так и в вакууме.

В последние годы начали появляться новые типы галогенных течеискателей, отличие которых от серийных моделей состоит в том, что в чувствительном элементе происходит пространственное разделение керамического материала и эмиттера с коллектором. В этом случае уменьшается возможность отравления чувствительного элемента и повышаются его общие эксплуатационные характеристики.

Следует отметить, что область применения галогенных течеискателей в перспективе будет сужаться, что объясняется последовательным отходом от использования при испытаниях фреона, разрушающего озоновый слой Земли. Видимо, в дальнейшем галогенные течеискатели будут чаще всего использоваться для контроля в системах следов галогенов, в исследовательских лабораториях и в специальных случаях испытания объектов.

Катарометрический метод контроля герметичности основан на использовании зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации одного из ее компонентов (пробного вещества), теплопроводность которого значительно отличается от теплопроводности остальных компонентов.

Чтобы представить возможности метода, приведем данные о теплопроводности некоторых газов λ г (табл. 10.4).

Сравнение теплопроводностей отдельных газов и воздуха показывает, что использование катарометрического метода предпочтительно в тех случаях, когда в качестве пробных газов берут гелий либо водород или когда внутри ОК находится хлор.

Таблица 10.4

Теплопроводность некоторых газов и паров при 0°С и 98,1 к Па

Для практического применения зависимость теплопроводности газовой смеси от состава описывается уравнением, аддитивным относительно теплопроводностей отдельных компонентов смеси:

где С 1 ,С 2 ,..., С n - концентрация компонентов в долях единицы; λ 1 , λ 2 ,…, λ n - теплопроводности компонентов.

Катарометрический метод неизбирателен, он может быть использован для контроля утечки бинарных или квазибинарных пробных газов, для которых соотношение (10.11) может быть приведено к виду

где С п - объемная доля пробного газа; λ ср - средняя теплопроводность суммы неопределяемых компонентов (например, в воздухе). При этом λ г >>λ ср.

Как следует из уравнения (10.12), для бинарной газовой смеси ее теплопроводность - однозначный критерий потока пробного газа.

Для измерения теплопроводности газовой смеси используется нагреваемый током проводник, помещенный в камеру, заполненную анализируемой смесью. Если теплоотдача от проводника к стенкам камеры в основном осуществляется в результате теплопроводности, то имеет место следующая зависимость:

где Q т - количество теплоты, отдаваемой проводником в секунду;l , d - длина и диаметр проводника;D - диаметр камеры; λ см - теплопроводность смеси газов;t п,t c - температура проводника и стенок камеры.

При постоянстве отдаваемой проводником теплоты Q т и температуры стенок камерыt c , зависящей от температуры окружающей среды, теплопроводность газовой смеси будет однозначно определять температуру проводника, а следовательно, и его сопротивление, которое включено в цепь мостовой измерительной схемы. На основе этой зависимости выполняются катарометрические течеискатели и устройства.

Рис. 10.17. Схема чувствительного элемента катарометрического течеискателя (а), мостовая схема течеискателя (б)

Датчик течеискателя состоит из корпуса 1 с двумя параллельными протяжными каналами (рис. 10.17, с), в которые вмонтированы две Тонкие платиновые или платинородиевые нити 2, выполняющие функцию электрических сопротивлений. На рис. 10.17, б показаны сопротивления R 1 иR 2, включенные в цепь мостовой измерительной схемы. Датчик оформлен в виде выносного щупа, который используется для процесса щуповых испытаний контролируемых объектов. В комплекте течеискателя имеется несколько наконечников разной конфигурации для удобства подхода к труднодоступным контролируемым поверхностям.

На примере течеискателя типа ТП 7101М рассмотрены конструктивные и схемные особенности катарометрических течеискателей и возможные направления их совершенствования. Этот течеискатель выполнен портативным, что дает возможность проводить испытания крупногабаритных и протяженных объектов одному или нескольким операторам, разграничив их области контроля. Щуп-преобразователь течеискателя соединяется с измерительным блоком гибким шлангом. В массивном медном корпусе преобразователя расположены рабочая и сравнительная ячейки. Выходные отверстия ячеек соединены с общим источником расхода газа, размещенным в измерительном блоке. Для индикации течи измерительный блок снабжен стрелочным прибором и звуковым сигнализатором. Оценка динамики катарометрического течеискателя показала, что время достижения максимального сигнала составляет около 1 с. Это объясняется запаздыванием при перемещении пробного газа к чувствительным элементам. Время спада сигнала еще больше и составляет примерно 5 с. Порог чувствительности по гелию 2,3 10 -6 м 3 Па/с. Масса 4 кг.

Как видно, чувствительность течеискателя невелика. Однако универсальность течеискателя является его большим достоинством, так как один и тот же прибор в той или иной степени пригоден для поиска течей при опрессовке изделий различными газами. Перспективно применение такого течеискателя для проверки газопроводов с горючими газами (природным газом, пропаном, бутаном и т.п.). Область применения катарометрических течеискателей распространяется также на случаи, когда необходимо перед высокочувствительными испытаниями выявить грубые течи, т.е. осуществить предварительный контроль объектов.

Электронно-захватный метод основан на способности молекул некоторых газов захватывать электроны, превращаясь при этом в электроотрицательные ионы. Это свойство веществ называют сродством к электрону. Оно характеризуется энергией, выделяющейся при образовании отрицательно заряженного иона. Например, сродство к электрону атомов кислорода равно 1,46 эВ.

Схематично этот процесс может быть рассмотрен на основе приведенного ниже соотношения. Под действием радиоактивного излучения β-трития в камере детектора происходит ионизация молекул газа N 2 и образуются медленные электроные м:

(10.14)

Под влиянием приложенного напряжения эти электроны перемещаются к аноду, вследствие чего в цепи возникает ток. При попадании в камеру чувствительного элемента газа, содержащего молекулы, обладающие сродством к электрону, возникают отрицательные ионы. Они обладают значительно большей, чем электроны, способностью к рекомбинации с положительными ионами азота, что в конечном итоге приводит к уменьшению числа электронов, попадающих на анод, и соответственно к уменьшению ионизационного (фонового) тока. Уменьшение этого тока при прохождении через чувствительный элемент пробного газа служит мерой его количества.

Так как различные газы обладают различной способностью К захвату электронов, то чувствительные элементы таких течеискателей характеризуются избирательностью, например, к галогеносодержащим, органическим соединениям. Чувствительность электроннозахватных чувствительных элементов к различным пробным газам зависит от степени электроотрицателыюсти или сродства к электрону этих газов. Однако электронное сродство пробного газа меняется с энергией свободных электронов. Средняя величина энергии электронов в ионизационной камере определяется электрическим полем и природой газа носителя. Средняя энергия свободных электронов при определенной напряженности электрического поля больше у одноатомных газов (например, аргон) и меньше у многоатомных, например, углекислый газ. При соответствующем подборе газаносителя и потенциала, приложенного к камере, можно получить электроны с любой средней энергией, вследствие чего электронно-захватные течеискатели могут быть сделаны селективно чувствительными к различным пробным газам.

Существует несколько видов электронно-захватных течеискателей. Все они характеризуются индицированием течей с применением в качестве пробных веществ электроотрицательных газов и паров. Для обнаружения течей в вакуумных системах удобен вакуумметр-течеискатель ВТИ-1, который состоит из магнетронного манометрического преобразователя и простого измерительного блока. Преобразователь подсоединяется к вакуумной системе. При поиске течей с помощью ВТИ-1 используют фреон-12 и элегаз (SF6). Наиболее целесообразно использовать ВТИ-1 для проверки герметичности безмасляных вакуумных систем.

Рис. 10.18. Схема электронно-захватного течеискателя

Значительно шире область применения универсальных электронно-захватных течеискателей, не требующих вакуумйрования проверяемых объектов. Прежде всего это относится к течеискателю, получившему название электронно-захватный (по названию электронно-захватного детектора, широко используемого в хроматографии). Течеискатель представляет собой двухэлектродную ионизационную камеру с радиоизотопным (тритиевым) источником ионизирующего β-излучения. Преобразователь I течеискателя состоит из детектора 3, эжектора 2 и дросселя 4 для регулирования отбора смеси газов (рис. 10.18). Эжектор, создавая разрежение, обеспечивает подачу пробного газа или воздуха в чувствительный элемент. Преобразователь соединен с полой иглой-зондом 1. Измерительный блокII включает вспомогательные пневматический дроссели 5 и 7 для подстройки расхода газа-носителя, фильтр 8 для очистки газа-носителя от частиц масла и других примесей Электрическая часть измерительного блока включает блок питания 8, усилитель 9, устройство автокомпенсации сигнала течеискателя 10 и регистрирующий прибор 11. Кроме этих систем и блоков в измерительную часть течеискателя входят также звуковой генератор сигнализации течи, компаратор и другие элементы не показанные на схеме. Течеискатель может быть связан с внешними устройствами, такими, как система записи сигнала, устройство автоматической отбраковки негерметичных изделий и др.

Рис. 10.19. Схема плазменного течеискателя

Применение рассматриваемого электронно-захватного течеискателя весьма эффективно при поиске течей в высоковольтных электротехнических устройствах с элегазовым наполнением. Он может конкурировать с манометрическим устройством, контролируя утечку воздуха в камере, продуваемую азотом. В этом случае достигается порог чувствительности 1 10 -5 м 3 Па/с.

Плазменный течеискатель ТП2, также регистрирующий утечки электроотрицательных пробных веществ, состоит из разрядной трубки-натекателя 1, электродов конденсатора 2, измерительного блока 3 и узла индикации течи 4 (рис. 10.19). Течеискатель основан на использовании свойств тлеющего разряда, который шунтируя высокочастотный резонансный контур, вызывает срыв высокочастотной генерации. При появлении в разрядной трубке электроотрицательного газа частота срывов генерации возрастает за счет увеличения скорости рекомбинации ионов. Измерительный блок обеспечивает выработку сигналов, пропорциональных частоте срывов высокочастотных колебаний и концентрации электроотрицательной примеси в воздухе, прокачиваемом через трубку.

Течеискатель портативен, удобен в работе, достаточно чувствителен к пробным газам, имеет малую массу (2 кг), в основном используется для поиска течей способом щупа. Чувствительность к потоку элегаза (SF6) составляет 0,7 10 -9 м 3 Па/с, к потоку фреона-22 - 1 10 -8 м 3 Па/с. Постоянная времени течеискателя - не более 1с.

Химический метод. При контроле объектов, эксплуатируемых с применением специальных газов и газовых смесей, а также во всех других случаях, когда известные методы контроля герметичности оказываются малопригодными, химический метод оказывается наиболее приемлемым. Известны несколько модификаций этого метода: нанесение на объекты индикаторной массы; применение индикаторных лент; применение индикаторной краски.

Общим для всех модификаций является применение соответствующего пробного газа, создание избыточного давления этого газа в объекте и визуальное наблюдение эффекта взаимодействия пробного газа с химическим составом, тем или иным способом нанесенным на предполагаемые места течи. Чаще всего в качестве пробного газа используется технологический газ или смесь газов.

В качестве индикаторных масс могут применяться различные сочетания химических веществ. Основные требования к индикаторным массам следующие: высокая чувствительность к пробному газу; сохранение технологических свойств в течение времени, необходимого для осмотра объекта; индикаторная масса не должна быть агрессивной по отношению к материалу ОК.

В качестве пробного газа используют двуокись углерода различной концентрации и некоторые другие газы. При наличии течей пробный газ, взаимодействуя с индикаторной массой, вызывает появление пятен различного цвета (желтого, синего и др.). Стойкость пятен после прекращения контакта индикаторной массы с пробным газом составляет до 50 мин. Свойства нанесенной индикаторной массы сохраняются в течение десятков часов.

Принцип контроля герметичности оборудования с применением индикаторных лент заключается в наклеивании последних на предполагаемые места течи и наблюдении за образованием пятен при взаимодействии индикатора, которым пропитана лента с пробным газом. Индикаторные ленты изготавливают, как правило, из хлопчатобумажных тканей. Их пропитка осуществляется в специальном растворе до получения равномерной окраски. Состав одного из рекомендуемых растворов, которым пропитывают ленты- 100 мл этилового спирта, 15...20 мл глицерина, 1...2 г бром-фенолового синего и 20%-ный раствор серно-кислого аммония. Кроме этого раствора применяют также фенолфталеин и другие составы. С целью исключения ложных окрасок индикаторных лент в загазованных помещениях иногда одна из поверхностей ленты покрывается прозрачной газонепроницаемой пленкой, которая имеет липкую поверхность для соединения с индикаторной лентой и испытуемой емкостью. Наличие прозрачной пленки способствует накоплению выходящего из емкости газа под пленкой и окрашиванию индикаторной ленты, а также повышает чувствительность контроля и создает защиту от окрашивания содержащимися в помещении газами.

Наиболее часто в качестве пробного газа используют воздушно-аммиачную смесь с концентрацией аммиака до 1...3%. Определение герметичности сводится к визуальному осмотру предполагаемых мест течи, на которые наложена индикаторная лента, и к фиксированию на ней пятен, соответствующих местам течи. Чувствительность способа индикаторных лент составляет от 1 10 -7 до 7 10 -7 м 3 Па/с.

Способ индикаторной краски находит применение для контроля тех Объектов, которые уже в процессе изготовления заправляют рабочей средой, окрашивают и сушат, а затем отправляют заказчику. В этом случае контроль герметичности осуществляют во время сушки. В краску, которая служит лакокрасочным покрытием, добавляют специальный индикатор, например бромфеноловый синий, реагирующий на рабочую среду. В местах утечек рабочая среда вступает в химическую реакцию с индикатором. В результате на краске образуются синие пятна, указывающие на место течи. Один из способов приготовления индикаторной краски - создание смеси нетроглифталевой серой краски с бромфеноловым синим индикатором. Индикаторная краска сохраняет свои реакционные свойства в течение длительного времени, так как она реагирует на утечку рабочей среды и после ее высыхания. Чувствительность контроля способом индикаторной краски достигает 1 10 -6 ...10 -7 м 3 Па/с.

Манометрический метод часто применяют на практике, так как это один из самых доступных в реализации методов. Он основан на регистрации изменения общего давления в ОК или во вспомогательной камере, в которой размещается ОК.

В последние годы в связи с развитием техники контроля малых изменений давления и температуры возможности метода расширились. На практике обычно контролируют падение (повышение) давления за определенное время. Допустимое изменение давления газовой среды в объекте устанавливают на основе определенных конструктором норм герметичности.

Метод контроля по изменению давления (манометрический) находит применение, главным образом, при предварительных испытаниях объектов с целью выявления сравнительно крупных сквозных дефектов. Самостоятельно этот метод применяют при контроле герметичности, когда требования к порогу чувствительности не превышают 1 10 -5 м 3 Па/с. При контроле объектов малого объема (Vl 10 -4 м 3) может быть достигнут порог чувствительности 5 10 -6 м 3 Па/с. /

В зависимости от требований к степени герметичности изделий, их габаритов, конфигурации и целей контроля используют бескамерный или камерный (рис. 10.20) способы манометрического контроля.

Математическая модель нестационарного процесса изменения давления в манометрической взаимосвязанной системе имеет вид

(10.15)

где А 2 - постоянный коэффициент, зависит от параметров среды и дефекта. В плоскостиР, t динамические характеристики, полученные на основе (10.15), имеют вид парабол (рис. 10.21). Чем больше дефект, тем быстрее выравнивается давление в изделииР и и в камереР к в момент времениt *.

На рисунке различные кривые, обозначенные соответствующими знаками (□, Δ и т.д.), характеризуют изменение давления в объекте и в камере при наличии в стенке объекта дефекта определенного диаметра (например, 50, 100 мкм и т.д.). Для бескамерной схемы контроля, когда
, предельным переходом получают математическую модель такой системы в виде

(10.16)

Второе уравнение этой системы показывает, что Р к - величина постоянная, т.е.Р к = Р к 0 =Р а, гдеР а - атмосферное давление.

Подставляя это значение Р к в первое уравнение (10.16), получим дифференциальное уравнение

(10.17)

из которого интегрированием находим

(10.18)

Графики переходного процесса для рассмотренных условий контроля показаны на рис. 10.22. Крутизна этих характеристик в значительной мере определяется размером дефекта.

При бескамерном варианте (см. рис. 10.20, а) в ОК. создают избыточное давление Р и 0 , при помощи подачи на вход испытателыной системы давления Р 0 . Затем клапан 3 закрывают. При наличии течи в ОК 1 датчик утечки 2 регистрирует падение давления Р и в соответствии с динамическими характеристиками, приведенными на рис. 10.22.

Для камерной схемы контроля решения дифференциальных уравнений (10.15) имеют вид

(10.19)

(10.20)

Каждое из уравнений (10.19) и (10.20) определяет в координатах Р, t параболу. Оси этих парабол параллельны оси ординатР и направлены в противоположные стороны. Они пересекаются в точке, координаты которой определяются, решая уравнение

Р и (t ) = Р к (t )

Несмотря на кажущуюся простоту метода, использование его часто сдерживается по причине сравнительно низкой чувствительности метода, а в ряде случаев большой длительностью цикла измерений. При усовершенствовании метода устранению влияния температуры на результаты контроля принадлежит ведущая роль.

Газогидравлический метод (пузырьковый метод) основан на наблюдении пузырьков пробного газа 4 (рис. 10.23), выделяемых из течи 3 при опрессовке газом объекта контроля 2, погруженного в жидкость.

Преимущества пузырькового метода заключаются в его простоте: он не требует приборного оснащения и специальных пробных газов, имеет высокую чувствительность, операции выявления и локализации течей совмещены.

Его недостатком является необходимость погружения изделия в резервуар, что невозможно для крупногабаритных изделий. Покрытие поверхности жидкой пленкой -трудоемкая операция, имеется опасность коррозии поверхности в результате длительного действия на нее остатков жидкости (воды). Чувствительность метода иногда оказывается недостаточной. Результаты проверки в большой степени зависят от добросовестности контролера.

На примере пузырькового метода удобно проследить влияние порога чувствительности средства течеискания и условий испытания на порог чувствительности способа течеискания в целом. Средством обнаружения течи собственно являются пузырьки пробного газа. Рассмотрим процесс образования пузырька для оценки порога чувствительности. Под влиянием давления опрессовки, создаваемого в объекте контроля, в устье течи образуется пузырек. Количество газа в нем определяется произведением объема пузырька V п на давление внутри негоР п. Это давление меньшеР опр из-за падения давлений на течи. Определим Рп из условия равенства его сумме внешних давлений, действующих на пузырек: атмосферного давления на поверхность жидкостиР атм, гидростатического давления жидкостиР г и поверхностного натяженияР н.

Величина P г =g ρh , где ρ - плотность жидкости, ah - высота столба жидкости над пузырьком. Давление, вызываемое силами поверхностного натяжения,Р н = (2F жг cosθ)/r=4F жг /D. ЗдесьF жг - сила поверхностного натяжения жидкость - газ, отнесенная к единице длины на поверхности жидкости. Для рассматриваемого случая D = 2r - диаметр пузырька, θ = 0. Таким образом,

(10.21)

где t - время образования пузырька.

Поток газа через течь увеличивает диаметр пузырька вплоть до момента его отрыва. Этот момент наступает, когда действующая на пузырек архимедова сила gρV п становится равной, а затем превышает силы сцепления пузырька с поверхностью, равные силе поверхностного натяжения жидкость - газ, умноженной на периметр течи: F жг =πd , гдеd - диаметр течи. Таким образом, условие отрыва

Здесь D 0 - диаметр пузырька в момент отрыва. Из формулы видно, что чем больше диаметр течи, тем крупнее пузырьки. Однако поскольку из диаметра течи (d ) и величин, характеризующих свойства жидкости (F жг и ρ), извлекается корень кубический, диаметр отрывающегося пузырька меняется мало при изменении названных величин. Обычно диаметр отрывающегося пузырька принимают равным 0,5...1 мм. Пузырьки диаметром меньше 0,5 мм трудно заметить. Отсюда можно найти минимальный диаметр течиd min =2,8 мкм.

Минимальный поток газа, регистрируемый пузырьковым метод дом, можно найти из предположения, что время t 0 от начала образования пузырька до его отрыва равно 30 с. Если это время больше, то слишком редко образующиеся пузырьки трудно заметить.

Обычно гидростатическое давление гораздо меньше атмосферного оно даже стремится к нулю при уменьшении расстояния от течи до поверхности h . Давление сил поверхностного натяжения также существенно меньше атмосферного. В результате из (10.31) определяем минимально регистрируемый поток газа, с помощью пузырькового метода:

(10.22)

При D 0 =0,5 мм,t 0 = 30 с,Р атм =101325 Па получимJ min = (3,14 0,5 3 10 -9 101325)/(6 30)=2,2 10 -7 Вт. Это значение определяет, порог чувствительности пузырькового способа как средства течеискания. Теперь рассмотрим чувствительность (нижний предел индикации) всей системы течеискания пузырьковым методом.

Используя уравнения для натекания через канал - течь для вязкого течения J в = πd 4 Р 2 атм /256η в l , определим чувствительность всей системы течеисканияВ m i n , приведенную к стандартным условиям:

Чувствительность метода к течам может быть повышена не только повышением Р опр, но также применением газов с вязкостью, меньшей, чем у воздуха. Например, если применять водород вместо воздуха, то η/η в = 0,5 и Р опр /Р атм =10, отсюдаB min = 1,1 10 -9 Вт. Это надо понимать так, что с помощью водорода и давления опрессовки в 10 атм снимают порог чувствительности системы контроля и выявляют течи, которые при вакуумных испытаниях в стандартных условиях будут давать натекание около 1 10 -9 Вт.

Рассмотрим некоторые варианты пузырькового метода. Как отмечалось ранее, вместо погружения объекта контроля в резервуар его покрывают жидкой пленкой (способ обмыливания), в которой наблюдают образование пузырьков. Жидкость должна быть вязкой, медленно стекающей, с малым поверхностным напряжением. Ее приготовляют из водного раствора мыла, глицерина и желатина (мыльная пленка) или из водного раствора декстрина, глицерина, спирта и других добавок (полимерная пленка). Вязкость обеспечивает медленное стекание, а снижение сил поверхностного натяжения облегчает образование пузырей.

Пленку наносят на поверхность изделия мягкой кистью или распылителем. Наблюдение за образованием пузырьков начинают через 2...3 мин после нанесения мыльной пленки. При использовании полимерной пленки выявление больших дефектов наблюдают непосредственно после нанесения пленки, а малых - через 20 мин. Пузырьки в такой пленке не лопаются, а сохраняются в виде «коконов» в течение суток. Чувствительность определяют по приближенной формуле (10.22).

Наибольшей чувствительности пузырькового метода удается добиться, если использовать способ обмыливания и наблюдения в локальной вакуумной камере с давлением около 10 4 Па. Такая камера (рис. 10.24) «присасывается» к поверхности объекта контроля под действием атмосферного давления. Наблюдение за появлением пузырьков, коконов или разрывов пленки ведут через смотровое окно. В этом случае атмосферное и гидростатическое давления равны нулю, и формула (10.22) с учетом двойной поверхности соприкосновения пленки с газом приобретает вид

Рис. 10.24. Локальная вакуумная камера:

1 - корпус. 2 - стекло, 3 - штуцер откачки, 4 - уплотнение, 5 - стенка объекта контроля, 6 - штуцер манометра.

Принимая прежние условия испытания и величину поверхностного натяжения для воды 0,075 Н/м, получим J m i n =l,3 10 -9 Вт, т.е. порог чувствительного метода как средства течеискания снижается в 170 раз по сравнению с испытанием в резервуаре с атмосферным давлением. При этом сохраняется отмеченная выше возможность повышения чувствительности способа контроля в целом за счет повышения давления опрессовки и применения водорода в качестве пробного газа вместо воздуха. В результате пузырьковый метод позволит выявить течи, которые при вакуумных испытаниях в стандартных условиях будут соответствовать натеканию около 10 -11 Вт.

Пузырьковый метод применяют также для испытания замкнутых объектов контроля, содержащих газ под атмосферным давлением. Избыточное давление газа внутри объекта контроля создают, погружая объект в горячую жидкость. Изменение давления при этом определяют из закона Шарля

где Р - давление;Т -абсолютная температура; индексы «1» и «2» относятся к холодному и нагретому объекту.

B качестве исходных условий примем нормальные. Температура нагрева Т 2 ограничивается тем, что в жидкости начинают образовываться пузырьки. Для воды это 80°С. Отсюда легко найти, что

Подставляя это значение в (10.23), найдем, что чувствительность метода, приведенная к стандартным условиям, равна 33 10 -6 Вт.

Возможности повышения чувствительности заключаются в применении жидкостей с высокой температурой кипения. Например, вакуумное масло имеет температуру образования пузырьков 150°С. Это дает возможность увеличить Р опр /Р атм до 1,55. Кроме того, испытания проводят в вакуумной камере со смотровым окном. В результате обеспечивают выявление течей с пороговой чувствительностью примерно 10 -8 Вт.

Гидравлические методы. Процесс гидроиспытаний, которому подвергают многие изделия, можно использовать как способ течеискания. Контроль на обнаружение больших течей называют испытанием на непроницаемость. Таким испытаниям подвергают корпуса судов, гидроемкости.

Испытания проводят либо при статическом давлении столба воды высотой 0,5...2,5 м с выдержкой не менее 1 ч, либо струей воды под напором. Менее ответственные объекты контролируют, водой без напора или рассеянной, струей воды. Результаты считают удовлетворительными, если не наблюдают струй, потоков, непрерывно стекающих капель воды.

Сосуды, корпуса, трубные системы и другие объекты, которые должны выдерживать значительные давления, подвергают гидроиспытаниям опрессовкой давлением значительно выше рабочего. Этот процесс также используют для поиска течей, причем признаком течи может быть отпотевание стенки объекта.

Для облегчения поиска течей и понижения порога чувствительности метода делают пробную жидкость контрастной, например придают ей свойство люминесцировать. Наибольшее распространение получил люминесцентно-гидравлический метод. Он состоит в том, что в воду, предназначенную для опрессовки, вводят в пропорции 0,1% (1 л/г) концентрированный раствор динатриевой соли флуоресцина (уранина). Состав тщательно перемешивают. Длительность выдержки под давлением - от 15 мин до 1 ч (в зависимости от толщины стенок объекта контроля).

Затем каждый контролируемый участок, поверхности ОК подвергают осмотру в лучах ультрафиолетового света ртутно-кварцевой лампы. Сначала выявляют большие течи, при прохождении, через которые вода из раствора флюоресцина полностью не испаряется и обеспечивает достаточную люминесценцию. Затем поверхность увлажняют влагораспылителем и опять осматривают. Флюоресцин, прошедший через мелкие течи, растворяется в этой воде и начинает светиться. В ультрафиолетовых лучах сквозные дефекты выявляются как светящиеся зеленые точки (поры), полоски (трещины). Освещенность помещения видимым светом должна быть не больше 20 лк.

Порог чувствительности люминесцентно-гидравлического метода, как и для всех жидкостных методов, определяют эмпирически, путем сравнения с результатами контроля газовыми способами. При избыточном давлении не менее 2 10 7 Па люминесцентно-гидравлическим методом обнаруживают дефекты, которые при контроле газовыми методами соответствуют натеканию 10 -10 ...10 -9 Вт в стандартных условиях. При снижении давления до 2 10 5 Па выявляют течи 10 -5 ...10 -4 Вт.

Если гидроопрессовка изделия не предусмотрена технологией или создание разности давлений невозможно из-за низкой прочности стенок изделия, для обнаружения течей применяют капиллярный (обычно люминесцентный) способ. Он отличается от рассмотренного в гл. 2 тем, что пенетрант и проявитель наносят на разные стороны поверхности перегородки. Проникающую жидкость (нориол с керосином) наносят кистью обильным слоем и через каждые 20 мин добавляют некоторое количество пенетранта. Проявитель (спиртоводную суспензию каолина) наносят тонким слоем на противоположную поверхность. Поиск дефектов путем осмотра при ультрафиолетовом освещении начинают не ранее чем через 10 мин после нанесения пенетранта и проявителя. Общее время выдержки зависит от толщины стенок изделия и требований к изделию по герметичности, оно может достигать 14 ч. Длительное время выдержки - главный недостаток капиллярного метода течеискания.

Менее ответственные объекты контролируют методом керосиновой пробы. С одной стороны на поверхность перегородки наносят керосин (пенетрант), а с другой - проявляющее покрытие в виде раствора мела в воде. Выдержка составляет от 40 до 120 мин в зависимости от толщины перегородки и ее расположения. Места течей определяют по появлению темных пятен керосина на меловом покрытии.

Средства и устройства, обеспечивающие процесс течеискания. Для выполнения контроля методами течеискания необходимы следующие средства: пробное вещество, устройства для создания и измерения разности давлений, средства обнаружения пробного вещества или измерения его количества, а также средства и технология подготовки объекта к контролю. Эффективность контроля течеисканием зависит от всей системы контроля, т.е. сочетания определенного способа, средства, режима контроля и способа подготовки объекта к контролю. Пороговую чувствительность системы контроля определяют значением минимального натекания в стандартных условиях, которое можно обнаружить этой системой.

Чем выше чувствительность системы контроля, тем ниже порог чувствительности.

Пробные вещества должны хорошо проникать через течи и хорошо обнаруживаться средствами течеискания. Они должны быть недорогими, не оказывать вредного действия на людей и объект контроля.

В качестве пробных веществ применяют газы (чаще) и жидкости. Чем меньше вязкость и молекулярный вес газа, тем лучше он проникает через течи. Главное требование к пробным газам (как и ко всем пробным веществам) - существование высокочувствительных методов их обнаружения. Наиболее распространенные пробные газы указаны в табл. 10.2.

В некоторых случаях в качестве пробных веществ применяют легколетучие жидкости: спирт, ацетон, бензин, эфир. Обычно индикаторы улавливают пары этих жидкостей, а способы контроля такими жидкостями относят к газовым.

К жидким пробным веществам относят воду, применяемую при гидроиспытаниях (гидроопрессовке), воду с люминесцирующими добавками, облегчающими индикацию течей, смачивающие жидкости - пенетраты.

Средства для создания разности давлений включают жидкостные или газовые (компрессоры), насосы, вакуумные насосы, баллоны с пробными газом или жидкостью, трубопроводы, арматуру (клапаны, штуцера, патрубки), манометры и т.д.

При вакуумных испытаниях остаточное давление воздуха составляет 0,1...1 Па. Такое давление достигают с помощью механического форвакуумного насоса. Более глубокий вакуум (10 -4 ...10 -5 Па) достигают с помощью паромасляных насосов. Однако эти насосы не могут откачивать воздух в атмосферу. Для них наибольшее выпускное давление 10...500 Па, которое обеспечивают форвакуумным насосом. Чтобы масло паромасляных насосов не попадало в вакуумную систему, между ними ставят отражатели и ловушки, охлаждаемые водой или жидким воздухом, заполненные сорбирующими веществами. В этом случае достигают вакуум в 10 -6 ...10 -7 Па.

Важной характеристикой насоса является быстрота действия: объем откачиваемого газа при определенном давлении на входном патрубке насоса. Часто используют понятие эффективной быстроты откачки S э. Оно определяет объем откачиваемого насосом газа с учетом ограниченной проводимости патрубков и вентилей, соединяющих насос с откачиваемым объемом.

При опрессовке газом давление должно быть ниже допустимого расчетного для данного объекта. Обычно применяют давление опрессовки не более 2 10 5 .Па (около 1 атм) и только в отдельных случаях до 5 10 6 Па. Ограничение связано с катастрофическими последствиями от разрыва объекта контроля, опрессовываемого газом.

При гидроопрессовке разрыв объекта значительно менее опасен, поскольку жидкости практически несжимаемы. В этом случае возможно применение значительно: больших давлений. Например, гидроиспытания на прочность объекта контроля обычно проводят при давлениях, на 25...50% превышающих расчетное. Если паровой котел предназначен для работы под давлением 3 10 7 Па (300 атм), то давление при гидроиспытаниях доводят до 3,75 10 7 Па и при этом же давлении проводят контроль люминесцентно-гидравлическим методом.

При гидроопрессовке важно, чтобы не возникали «воздушные, подушки». Поэтому объект контроля перед заполнением жидкостью откачивают или выпускают сжимаемый воздух через вентиль, который располагают в верхней части объекта.

Манометры служат для измерения давления. Давление выше 10 4 Па измеряют с помощью механических деформационных, пьезоэлектрических и других типов манометров. Меньшие давления измеряют с помощью термоэлектрических, ионизационных и других вакуумных манометров (вакуумметров). Градуировку этих манометров выполняют с помощью жидкостного и компрессионного манометров. Каждый тип манометра имеет предел измерений, определяемый принципом его действия. Например, предварительный вакуум измеряют тепловым манометром, а высокий - ионизационным манометром.

Средства обнаружения течей. Для обнаружения течей используют специальные приборы - течеискатели и неприборные способы течеискания. Важнейшая характеристика средства обнаружения течей порог чувствительности. Это наименьший регистрируемый течеискателем поток газообразного или расхода жидкого пробного вещества. Путем экспериментов и расчетов его преобразуют к натеканию в стандартных условиях. Средства обнаружения течей характеризуют также диапазоном давлений, при которых они работают, временем подготовки к работе и испытаний, возможностью количественных отсчетов, массой и т.д.

В табл. 10.2 перечислены различные методы обнаружения, течей по применяемому средству течеискания, указан принцип, на котором они основаны. Методы расположены по мере увеличения порога чувствительности, т.е. ухудшения возможности выявления небольших течей. Указан ориентировочный порог чувствительности системы контроля по потоку воздуха в стандартных условиях, который зависит не только от средства течеискания, но и от спо­соба применения этого средства. Например, применение масс-спектрометрического метода с накоплением дает наиболее низкий порог чувствительности, а в динамическом режиме он в 100 раз выше.

Подготовка объектов к контролю. Главная задача подготовки к контролю состоит в освобождении течей от закрывающих их веществ масел, эмульсий, сконденсированной влаги из окружающего воздуха. При испытаниях опрессовкой под высоким избыточным давлением закупоривающие вещества вытесняются из течей, поэтому к подготовке поверхности не предъявляют высоких требований. При контроле смачивающими жидкостями подготовка поверхности с обеих сторон изделия такая же, как в капиллярном методе. Наиболее важна подготовка поверхности при испытаниях газовым методом с небольшой разностью давлений, например при вакуумных испытаниях.

Защитные покрытия поверхности (окраска) мешают контролю, поэтому герметичность проверяют до их нанесения. Масло, эмульсию удаляют протиркой растворителями. Для вскрытия течей (а также обезгаживания) проводят термическую обработку поверхности, которую разделяют на несколько классов.

Для полного вскрытия течей (первый класс) объект контроля прогревают в вакууме. Оптимальным является нагрев до температуры 400°С при вакууме 0,1 Па с выдержкой от 5 мин до 3 ч в зависимости от объекта контроля. Нагрев до высокой температуры нужен потому, что кипение жидкости в капиллярах происходит при более высокой температуре, чем в нормальных условиях. Например, вода кипит при температуре 300...400°С. Если нагрев до такой высокой температуры невозможен, то можно нагревать изделие на воздухе до температуры 250...300°С с выдержкой как минимум 30 мин.

Второй класс подготовки - нагрев на воздухе до 150...200°С с выдержкой как минимум 10 мин или в вакууме (10 Па) -до 100...200°С с выдержкой не менее 1ч.

Третий класс Подготовки - такой же нагрев на воздухе или в вакууме до 80°С с выдержкой не менее 2 ч. Наконец, четвертый класс предусматривает только сушку поверхности.

Перспективные методы. Анализ тенденций развития методов и способов контроля герметичности выявил перспективные направления в технике течеискания, развивающиеся в настоящее время.

Прежде всего перспективы течеискания связаны с расширением аппаратурной реализацией методов контроля. Так, успехи в абсорбционной спектроскопии газов с использованием для обнаружения микропримесей в окружающем воздухе монохроматического излучения в сочетании с оптико-акустическим эффектом позволили по-новому подойти к решению задачи повышения достоверности и эффективности контроля герметичности тонкостенных замкнутых объемов. На этой основе созданы первые образцы оптико-абсорбционной течеискательной аппаратуры с использованием закиси азота как пробного вещества.

Широкое развитие получают перспективные физико-химические методы контроля герметичности, основанные на эффекте взаимодействия пробного газа с поверхностью дефекта или специальным составом, и способствующие повышению проводимости дефекта. На основе этих же методов создаются новые типы чувствительных датчиков утечки, например пьезовзвешенные, которые используют специальное покрытие на поверхности кварца, взаимодействующего с пробным газом.

Кроме рассмотренных выше течеискательных устройств которые серийно выпускаются приборостроительными предприятиями, создан ряд устройств, используемых на отдельных предприятиях для испытания конкретных видов изделий. К ним относятся манометрические, акустические, инфракрасные, лазерные и другие течеискательные устройства и системы.

Манометрические течеискательные устройства обычно выполняют на базе серийных мембранных элементов и блоков. Наиболее часто такие устройства базируются на высокочувствительных мембранных или сильфонных дифманометрах. Основной поиск в направлении усиления возможностей манометрических устройств контроля герметичности связывается с подбором мембраны, созданием, температурных компенсаторов и компьютеризацией процесса манометрических испытаний.

Акустические течеискатели, основанные на регистрации ультразвуковых колебаний газовой струи, вытекающей через сквозной дефект, не получили ожидаемого распространения из-за их низкой чувствительности и влияния посторонних шумов на воспроизводимость испытаний. Как правило, акустические течеискатели (например, типа ТУЗ) позволяют находить течи с условным диаметром 0,1...0,15 мм при избыточном давлении внутри изделий 0,04...0,05 МПа. Область применения при сегодняшнем уровне их развития будет ограничиваться простыми условиями их эксплуатации, невысокими требованиями к степени герметичности промышленной продукции.

Поиск новых пробных веществ и успехи в развитии оптико-абсорбционного газоаналитического метода позволил специалистам авиационной промышленности создать новый тип течеискатели ИГТ-4. Это оптико-абсорбционный течеискатель, основанный на индикации экологически чистого пробного газа - закиси азота.

Его порог чувствительности к потоку закиси азота составляет 6,5 10 -7 м 3 Па/с. Течеискатель типа ИГТ-4 прост и надежен в эксплуатации, работает в автоматическом режиме, который осуществляется с помощью встроенного микропроцессора.

Развитие науки и техники в последние годы приводит к появлению новых идей газоаналитической и в том числе течеискательной аппаратуры. Это прежде всего относится к твердотельной полупроводниковой технике измерения параметров газовых потоков и следов газов. Видимо, в ближайшие годы развитие этого направления приведет к созданию новых типов течеискательной аппаратуры.

Галогенные течеискатели

Основные характеристики галогенных течеискателей

ГТИ-6, БГТИ6, ТИ2-8 чуствительность с выносным щупом порядка 10 -4 , с вакуумным датчиком 10 -6 .

Течеискатель ГТИ-6 оснащен выносным (атмосферным) щупом и вакуумным датчиком которые подсоединены к измерительному блоку с помощью кабелей. При вакуумных испытаниях пробный газ подают к контролируемому объекту с помощью обдувателя. При работе в атмосферных условиях при отсутствии кислорода воздуха обеспечивает работу чувствительного элемента течеискателя без каких либо дополнительных устройств. При работе в вакууме поступление кислорода обеспечивается специальным устройством в вакуумном датчике. Чувствительный элемент датчика представляет собой реагирующий на парциальное давление пробного газа систему состоящего из двух платиновых электродов, коллектор и эммитора. Коллектор ионов выполнен в виде трубки из платиновой фольги, которая закреплена в цилиндрической втулке из коррозионостойкой стали. Эмитор представляет собой керамический каркас со спиралью из платиновой проволоки вставленный коаксиально внутри коллектора и закрепленной на керамическом основании. Должен быть нагрет до 800-900С. Выносной щуп(фотка) расположен в пластмассовом корпусе, в передней части находится чувствительный элемент защищенный металлическим кожухом, экраном со съемным радиатором для теплоотвода Коллектор датчика закреплен на втулке. Элемент газовой смеси пробного газа осуществляется вентилятором приводимого во вращение электродвигателем. Засасываемая смесь проходит через чувствительный элемент и выбрасывается наружу через специальное отверстие в корпусе щупа. В хвостовой чаще щупа расположен армотизатор и ионовой сигнальной лампой закрытой прозрачным колпачком. На рукоятке закреплен токоотводящий провод, соединяющий щуп с измерительным. При работе щуп может располагаться на расстоянии до 8м от измерительного блока течеискателя. Обдуватель выполнен в виде полой стенки и заканчивается с одной стороны штуцером для подсоединения резинового шланга, а с другой стороны выходным соплом. Вакуумный датчик представляет собой корпус фланец на котором смонтированы эмитор, коллектор, кислородный инжектор. Эмитор закреплен на керамическом каркасе, а датчик закреплен на фланце с помощью трех стоек. Кислородный инжектор предназначен для подачи кислорода к чувствительному элементу датчика. Инжектор представляет собой стакан заполненный порошком перманганата калия, который при высокой температуре разлагается с выделением большого количества кислорода, который через специальное отверстие в стакане поступает в чувствительный элемент датчика. Течеискатель оснащен калиброванной течеголовой со сменными насадками обеспечивающие получение стабильных потоков паров галогеносодержащего вещества гекса-хлор-этана различной величины. Калиброванную течь используют при регулировки течеискателя на заданную чувствительность при атмосферных испытаниях. Калиброванная течь представляет собой металлический цилиндр. Во внутрь цилиндра засыпают порошок гекса-хлор-этана специальном направляющие обеспечивают постоянство расположения щупа течеискателя относительно калиброванной течи при градуированной шкалы измерительного прибора. Поток газа регулируют с медными насадками. Испытания галогенными течеискателями можно проводить фреоном или его смеси с воздухом, способом щупа или вакуумного датчика.

Масс-спектрометрический метод.

Метод контроля герметичности и течеискания с применением масс-спектрометрических течеискателей получил наибольшее распространение. Принцип действия масс-спектрометрического течеискателя состоит в регистрации прохождения через течи пробного газа с помощью масс-спектрометра. Масс-спектрометрия это метод разделения с помощью электрических и магнитных полей сложной смеси газов или паров на компоненты в зависимости от отношения массы иона каждого компонента к заряду соответствующего иона. Масс-спектрометрический течеискатель по существу представляет собой газоанализатор настроенный, как правило, на регистрацию содержания газовой смеси какого либо газа обычно инертного. В большинстве случаев пробным газом является гелий, поэтому масс-спектрометрические течеискатели называют гелеевыми, иногда применяют аргон, неон, водород и их смеси. Применение гелия в качестве пробного газа позволяет создать течеискатель сравнительно простой конструкции, что связано с малым содержанием гелия в атмосфере примерно 5х10 -4 %. Масс-спектрометрический анализ газов осуществляемый в условиях высокого вакуума сводится к следующим процессам: превращение молекул анализируемого газа в положительные ионы с зарядом е. Создание моноэнергетического ионного пучка путем ускорения полученных ионов электрическим полем, а также разложение пучка заряженных ионов на компоненты в зависимости от отношения массы к заряду. Регистрация, а также регистрация и измерения интенсивности выделенного ионного пучка. Отношение массы к заряду называют массовым числом. Масс-спектрометрические течеискатели обладают высокой чувствительностью.

Настройку масс-спектрометрического течеискателя осуществляют с помощью коллиброванных течей гелит1 или гелит2. Действие таких течей основано на диффузию гелия сквозь мембрану из плавленого кварца (гелит1) или из молибденового стекла (гелит2). Коллиброванные течи выполнены в виде металлических баллонов с патрубками для подсоединения к течеискателю или испытуемой системы. Зарубежные течеискатели имеют ряд отличительных особенностей и могут кроме гелия работать со специальными газовыми смесями, например, хемиксал(20% гелия, 35% азота, 40% неона, 5% водорода) или хеногава(35% гелия, 65% иона). При испытании течеискателя подключают к контролируемым объектам по различным схемам. Эти схемы имеют небольшое отличие и применение их зависит от размеров объекта. Также существуют различные способы контроля это способ накопления, который применяется для определения общей герметичности замкнутых объектов работающих под давлением. Способ обдувания применяют при испытаниях вакуумных систем имеющих собственные средства откачки, а также их элементов. Способ щупа применяют при поиске течей в закрытых крупногабаритных объектах, емкостях гидравлических и газовых систем или их элементов работающих под давлением. Применяют еще способ барокамеры и способ вакуумных камеры и присосок.

Катарометрический метод

Применяют для контроля герметичности замкнутых газовых систем работающих под давлением. Метод основан на регистрации изменения теплопроводности газовой смеси при изменении в ней концентрации индикаторного (пробного газа) прошедшего через не плотность. Для измерения не плотности газовой смеси используют нагреваемый током проводник помещенный в камеру заполненной анализируемой смесью. При постоянстве отдаваемой проводником теплоты и температуры стенок камеры, теплопроводность газовой смеси будет однозначно определять температуру проводника, и следовательно его сопротивление. Теплопроводность пробного газа отлична от теплопроводности остальных компонентов смеси. При испытаниях ее сравнивают с теплопроводностью воздуха. В качестве индикаторных используют те газы коэффициенты теплопроводности которых значительно отличаются от коэффициента теплопроводности воздуха (например, водород, гелий, метан, пропан, бутан). Датчик катарометрического течеискателя представляет собой так называемую катарометрическую ячейку расположенную на выносном щупе. Корпус датчика выполнен в виде массивного медного блока. Во избежание внешних тепловых воздействий на чувствительные элементы. Термочувствительными элементами являются две вплавленные стеклянные трубки в капилляры, тонкие металлические (платиновые или платино-радиевые) нити с определенным сопротивлением, каждая нить натянута вдоль оси датчика по двум параллельно расположенным каналам и нагревается проходящим по ним электрическим током. Нити включены в плечи мостовой схемы, два резистора входят в состав измерительного блока течеискателя. Перед контролем объекта мост балансируют пропуская через каналы датчика чистый воздух с помощью вентилятора. При контроле датчик перемещают вдоль поверхности контролируемого объекта. Если утечка пробного газа из объекта отсутствует, то мост остается в сбалансированном состоянии, поскольку входные отверстия каналов датчика расположены на разных расстояниях от контролируемой поверхности, то при утечки из объекта пробный газ вместе с воздухом будет проходить через верхний канал датчика. В то время как в нижний канал по прежнему будет попадать только чистый воздух. В следствии различия коэффициентов теплопроводности пробного газа и воздуха изменяются условия охлаждения чувствительных элементов датчика, а также электросопротивление его верхней нити. В результате мост выйдет из состояния равновесия. Напряжение дисбаланса моста регистрируют измерительным прибором соединенным системой сигнализации о наличии течей. Датчик течеискателя весьма чувствителен к утечкам пробных газов в следствии применения компенсационной схемы. Требуемое значение чувствительности и производительности контроля выбирают регулируя частоту вращения вентилятора. При этом чувствительность метода зависит от вида пробного газа (например, при использовании 90% фреона с воздухом чувствительность составляет 4х10 -3 мм 3 МПа/с). Таким методом можно обнаруживать утечки практически любых газов. Возможно также его использование для обнаружения паров летучих индикаторных жидкостей. Недостатками метода являются невысокая чувствительность, большая инерционность, а также зависимость показаний пробора от наличие в окружающей среде различных паров и газов, включая пары растворителей используемых для подготовки контролируемого объекта к испытаниям. Наибольшее применение получили течеискатели ТП7101, ТП7101М. Основными элементами течеискателя ТП7101 является щуп, преобразователь, блок питания и телефонные наушники. Течеискатель имеет звуковую и световую сигнализацию о наличии течи, масса течеискателя 13,5кг. Скорость перемещения щупа 3-8мм/c, расстояние до поверхности 1-3мм. Течеискатель ТП7101М имеет батарейное питание и масса 4 кг.

Галогенный метод

Галогенный метод контроля ранее назывался галоидным. Применяется в различных областях промышленности. Его использование особенно эффективно при оценке герметичности, объемов большого размера или систем сильно разветвленными трубопроводами не больших сечений. Часто галогенный метод определяют для определения мест повреждения газопроводов или газонаполненных камер. Вакуумные галогенные испытания выполняют при контроле низко и высоковакуумных системах. В качестве пробных газов применяют газообразные фреоны, поскольку они не ядовиты и сравнительно дешевы. Давление которое можно создать в объекте контроля ограничено упругостью паров галогеносодержащего газа при температуры испытаний (например, для фреона 12 при нормальной температуре парциальное давление составляет около 0.6МПа) поэтому при давлениях 0.6-0.93МПа следует применять фреон 22, а при давлениях 0.83-3.24МПа фреон 13. Иногда применяют другие галогеносодержащие вещества: дихлорэтан, четырех хлористый углерод, хлористый метил. При давлениях в объекте превышающих 0.6МПа обычно используют смесь фреона с воздухом.

34 Манометрический метод .

Основаны на регистрации измерения испытательного давления контрольного или пробного вещества в результате наличия течи. Этими методами испытывают замкнутые системы, резервуар, гидравлические и газовые систем, их элементы. В качестве контрольных веществ применяют жидкость, например, вода и газы, воздух, азот, аргон, гелий, аммиак. А в качестве пробных: эфир, бензин, ацетон, углекислый газ. Индикацию течи осуществляют по показаниям прибора. При контроле вакуумных систем осуществляют тепловые ионизационные и магнитные вакуумометры.

Способ индикации краски

Находи применение для контроля тех объектов, которые уже в процессе изготовления заправляют рабочей средой окрашивают и сушат, а затем отправляют заказчику. В этом случае контроль герметичности осуществляют во время сушки. В краску которая служит лакокрасочным покрытием добавляет специальный индикатор, например, бром фенол синий, который реагирует на рабочую среду. В местах утечек рабочая среда вступает в химическую реакцию с индикатором. В результате на краске образуются синие пятна, которые указывают на места течи.

Химический метод

Этим методом пользуются для контроля герметичности емкостей элементов гидравлических и газовых систем работающих под давлением, а также открытых изделий. В основе метода лежит химическое взаимодействие аммиака или других газов с индикаторным веществом, которые в результате реакции меняют свою окраску. В качестве контрольного газа обычно используют смесь аммиака с воздухом или азотом. Для индикации течи применяют: бром фенол синий, фенол фтолиин, бром бензол, нитрат ртути. Индикаторные вещества растворяют в воде, глицерине или спирте и пропитывают ими фильтровальную бумагу, либо светлую ткань. Перед контролем химическим методом изделия подвергают гидравлическому или пневматическому испытанию, а затем его заполняют контрольным газом до испытательного давления, затем укладывают на контролируемые участки ленту пропитанную индикаторным веществом и выдерживают ее в течении определенного времени указанных в технических условиях. Испытательное давление 0.1-0.15МПа и оно, как правило, не должно превышать рабочего. Химический метод прост и его выполнение не требует специального оборудования и высокой квалификации персонала. Чувствительность данного метода не высокая. Кроме, того изменение цвета индикаторного вещества может быть вызвана углекислым газом и другими веществами.

Похожая информация.

Методы течеискания весьма разнообразны и существенно различаются по чувствительности, избирательной реакции на пробное вещество, принципам обнаружения утечки этого вещества, по виду используемых при реализации метода пробных веществ и т.д.
Классификация методов. Методы контроля герметичности разделяются на три группы в зависимости от вида применяемых пробных веществ:
а) газовые, когда в качестве пробного вещества используется какой-либо газ (гелий, аргон, воздух и др.);
б) газо-гидравлические, когда в качестве пробного вещества используется газ (например, воздух), а жидкость играет роль вспомогательной среды при определении факта и места утечки газа;
в) гидравлические, когда в качестве пробного вещества используется жидкость (например, вода, масло).
В табл. 10.2 приводится краткая характеристика основных методов контроля герметичности.

Анализ табл. 10.2 показывает, что существует широкий спектр, используемых в практике методов контроля герметичности, позволяющих обеспечить контроль течей в, широком диапазоне. В то же время приведенная таблица является лишь ориентиром при выборе конкретного метода контроля. В дальнейшем достаточно подробно рассматриваются наиболее распространенные методы контроля герметичности изделий, их достоинства и недостатки. На рис. 10.1 для наглядности показаны области применения наиболее распространенных методов контроля по Диапазону контролируемых утечек пробного вещества. Пунктирные линии характеризуют пределы индикации потока только в определенных условиях, например при использовании дополнительных веществ и материалов, не характерных для использования в классической трактовке соответствующего метода.
Масс-спектрометрический метод. Впервые метод был использован в ядерной физике и электронике. Он находит широкое применение в практике промышленных испытаний. Это объясняется прежде всего его высокой чувствительностью при всех видах вакуумных и атмосферных испытаний. Широкому распространению метода во многом способствует серийный выпуск масс-спектрометрических течеискателей, длительный опыт их эксплуатации, широкая вариантность их использования, в том числе в режиме автоматизации. В отличие от других методов течеискания масс-спектрометрический метод позволяет оценить течь не только качественно, но и выполнить количественные измерения потока через нее с точностью до 10%.
Метод основан на создании повышенного парциального давления пробного газа с одной стороны поверхности ОК и отбора пробного вещества с другой стороны для масс-спектрометрического анализа на присутствие молекул пробного газа.

Таблица 10.2
Основные методы течеискания

Продолжение табл. 10.2

Рис 10.1 области применения основных методов контроля герметичности

Парциальное давление газа - давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.
В процессе испытаний поток пробного газа, вытекающий через сквозной дефект, по пути, движения в масс-спектрометрическую камеру ионизируется потоком электронов, формируемых с помощью ионизатора. Этот процесс показан на рис. 10.2. Масс-спектрометр содержит следующие основные узлы: ионный источник, где молекулы пробного газа превращаются в ионы (с массой m , зарядом е ) и создается пучок ионов с постоянной энергией; анализатор, где ионный пучок разделяется на составляющие по значению m /е ; коллектор, которым эти составляющие регистрируются и измеряются их пиковые значения. Ионный источник состоит из камеры 2, в которую попадает пробный газ. От накаленного катода 1 в камеру с положительный Напряжением относительно катода идет пучок электронов, который ионизирует газ. Для фокусировки электронов вдоль направления их движения создают магнитное поле Н1 вдоль линий которого электроны распространяются по спирали. Две диафрагмы 3 и 4 формируют направленный пучок ионов и разгоняют его благодаря разности потенциалов U0. Ионы разгоняются до одинаковой энергии, которая определяется формулой
(10.4)
где V - скорость ионов. Из-за разности масс ионов эта скорость разная для ионов разных элементов. Далее ионы попадают в анализатор, который состоит из масс-спектрометрической камеры и системы коллекторов. В камере с помощью вакуумных насосов создается вакуум порядка 1,33 10-3 Па. Перпендикулярно движению ионов создается магнитное поле Я. Под действием лоренцевой силы eVH ионы движутся по траекториям в виде окружностей радиуса R. Из второго закона Ньютона mV2/R = eVH подставляя V , находим радиус траектории
(10.5)
Таким образом, радиус траектории зависит от отношения m /е . В анализаторе ионы отклоняются на угол 180°. При этом возникает эффект фокусировки: ионы, выходящие из источника в виде пучка, расходящегося под некоторым углом, отклонившись на 180°, вновь собираются в полосу. Перед коллектором 6 (см. рис. 10.2) имеется дифрагма 5 с входной щелью в месте фокуса пучка ионов с заданным значением массового числа, соответствующим однозарядным ионам пробного газа. Ионный ток коллектора в дальнейшем усиливают и регистрируют выходным измерительным прибором. Появление пробного газа в газовой смеси, подаваемой в камеру 2, резко увеличивает ионный ток.


Рис. 10.2. Принцип работы

В качестве пробного газа при реализации масс-спектрометрического метода обычно используют гелий. Он обладает рядом достоинств. По величине m /е гелий очень сильно (на 25%) отличается от ближайших ионов других газов. Это допускает применение широкой щели в диафрагме 5. Малое значение m /е для гелия способствует уменьшению радиуса траектории, а следовательно, размеров всего течеискателя. Гелий обладает малой молекулярной массой и, следовательно, хорошо проникает через малые течи. Гелия в воздухе содержится мало (10-4%), поэтому фоновые эффекты течеискателей основанных на масс-спектрометрическом методе, сравнительно невелики. Гелий стоит недорого, он химически инертен.
Масс-спектрометрические течеискатели состоят из узлов и систем, обеспечивающих процессы регистрации утечки пробного газа, преобразования и обработки информации.
Чувствительным элементом течеискателя служит, как правило, 180-градусный магнитный анализатор 3 (рис. 10.3), преобразующий утечку в электрический аналоговый сигнал, усиливаемый усилителем. В связи с тем, что процесс разделения ионов пробного вещества происходит при высоком вакууме, все масс-спектрометрические течеискатели имеют, вакуумную систему 4, состоящую из форвакуумного и высоковакуумного насосов , вакуумной коммуникации, клапанов и азотной ловушки .
Для управления электромагнитными клапанами, узлами вакуумной системы и другими элементами течеискатели снабжаются системой управления 1, регистратором вакуума и утечки 2. Течеискатели последних моделей имеют встроенные микропроцессорные блоки или микроЭВМ 5 для обработки информации течеискателя, оптимизации его работы и диагностики основных систем.
Рассмотрим принцип работы и конструкцию масс-спектрометрического течеискателя . Масс-спектрометрический течеискатель представялет собой высокочувствительный магнитный масс-спектрометр, настроенный на регистрацию пробного вещества. Он состоит из двух основных частей: вакуумной системы и электронного блока. Вакуумная система (рис. 10.4) включает масс-спектрометрическую камеру с постоянным магнитом, паромасляный насос 11, механический насос 1,калиброванную гелиевую течь 14, азотную ловушку 8, форвакуумный баллон 5,. вакуумный датчик 7, термопарный манометрический преобразователь 2, отсечные клапаны 4, 6, 10, 13, напускной клапан 3, клапан дросселирования откачки 9 и входной клапан 12.

Масс-спектрометрическая камера выполняет основные функции течеискателя. Она включает ионный источник и приемник ионов. Рабочее давление (0,7 10-2 Па) в масс-спектрометрической камере обеспечивается откачной системой, состоящей из механического (например, НВР-0,5 Д) и паромасляного (например, Н-0,025-2) насосов. Механический (форвакуумный) насос обеспечивает вакуум в системе течеискателя 0,1...1 Па. Паромасляный насос увеличивает вакуум до 10-4...10-5 Па. Азотная ловушка способствует защите масс-спектрометрической камеры от замасливания и стабилизирует вакуум в ней. Для контроля чувствительности течеискателя служит калиброванная гелиевая течь типа «Гелит», обеспечивающая заданный поток газа за счет диффузии гелия через кварцевую мембрану. Новые гелиевые течи вместо кварцевой мембраны (рис. 10.5). Пробный газ заполняет капилляр 1 через открытие концы 2 полого петлеобразного волокна проходящего через перегородку 3, в корпусе 4, а затем диффундирует через стенки волокна, создавая поток, направляемый дальше в испытуемую полость. К достоинствам таких течей относится повышенная эксплуатационная надежность и более широкий круг пробных веществ, с которыми может работать такая течь.

Электронная часть течеискателя выполнена в виде панели управления 1 и отдельных блоков: измерения ионного тока 3 с выносным электрометрическим каскадом 2, измерения давления 4, питания вакуумных клапанов 5, питания камеры 6. Взаимосвязь перечисленных блоков между собой, масс-спектрометрической камерой 7 и вакуумной системой 8 показана на рис. 10.6.
Настройку течеискателя выполняют с помощью калиброванной течи. Прежде всего определяют амплитуду флуктуации фонового сигнала как разность между максимальным афтах и минимальным а фmax значениями фонового сигнала:
(10.6)
Затем определяют минимальный поток гелия по формуле
(10.7)
где J т - поток гелиевой течи (по маркировке на корпусе течи), м3 Па/с; а т - сигнал от течи J т, в делениях шкалы. Цену деления стрелочного прибора блока измерения ионного тока течеискателя находят из формулы
(10.8)
Поток натекания J г в м3 Па/с при работе с чистым гелием оценивают по формуле
(10.9)
где а г - отсчет по стрелочному прибору, обусловленный натеканием гелия в испытуемый объем. Если вместо чистого гелия используют смесь гелия с воздухом, то в формулу (10.9) добавляют множитель 1/j , где j - концентрация гелия в смеси.
Общий вид одного из отечественных течеискателей представлен на рис. 10.7. Он имеет порог чувствительности к потоку пробного газа 7 10-13 м3 Па/с, обеспечивает полуавтоматический выход на режим высоковакуумной откачки анализатора после нажатия кнопки «Пуск» и полуавтоматическое выключение течеискателя после нажатия кнопки «Стоп», допускает непрерывную работу в течение суток при сохранении своих технических характеристик. Течеискатель снабжен различными системами, предохраняющими его от неблагоприятных ситуаций. При повышении давления в анализаторе до уровня, примерно 2 10-2...3 10-2 Па автоматически отключается накал катода ионного источника анализатора. При аварийном отключении напряжения сети питания автоматически обеспечивается закрытие клапана ПМН (откачка паромасляного насоса) и открытие клапана «Напуск» (напуск атмосферы). Течеискатель состоит из двух основных блоков: СВ-14 (система вакуумная) и УР-14 (устройство регистрирующее).
Устройство течеискателя показано на рис. 10.8.
Основной узел - масс-спектрометрический анализатор 6, на вход которого через клапаны 4 и 7 с электромагнитными приводами; азотную ловушку 2 и клапан с ручным приводом 3 подается поток пробного вещества. Коллектор ионов анализатора соединен со входом электрометрического усилителя 5, сигнал с которого подается на усилитель постоянного тока 21. Одновременно с помощью прибора 9 контролируется сигнал течеискателя. На выход этого усилителя включены стрелочный прибор, акустический и световой индикаторы. Дли контроля чувствительности течеискателя служит гелиевая течь 12. Рабочее давление в масс-спектрометрическом анализаторе обеспечивается откачной системой, состоящей из пластинчато-роторного насоса типа 3НВР - 1Д 20 и паромасляного насоса-типа Н-0,25-2 13. Контроль давления на входе со стороны ОК и в линии предварительного разрежения осуществляется манометрическими преобразователями 11 и 16 типа ПМТ-6-3, а контроль давления в высоковакуумном объеме течеискателя осуществляется магнитным электроразрядным манометрическим преобразователем 8. Управление вакуумной системой течеискателя при его включении, выключении и работе производится с помощью электромагнитных клапанов 4, 7, 14, 15. Клапаны 1, 3, 10 с ручными приводами.
Управление электромагнитными клапанами осуществляется от блока управления 17. Программу полуавтоматического управления процессом включения и выключения течеискателя задает устройство вакуумной автоматики 22. Органы ручного управления находятся на панели управления 18. Состояние вакуумной системы отражается единичными индикаторными устройствами индикации 19. В регистрирующем устройстве УР-14 находятся также стабилизатор эмиссии 23, элементы индикации 24 и блок питания 25.
Разнообразие объектов по объему и рабочим характеристикам обусловливает разнообразие способов осуществления масс-спектрометрического метода испытаний. На выбор способов испытаний существенное влияние оказывают условия эксплуатации объектов и требования к степени их герметичности.

Рис 10.7, Масс-спектрометрический течеискатель типа ТИ 1-14

Рис. 10.8. Блок-схема течеискателя ТИ 1-14

Общая методология испытаний объектов на герметичность такова. Как правило, на первом этапе испытаний осуществляют оценку общей герметичности испытуемого объекта. В дальнейшем, если возникает в этом необходимость, ведется поиск течей и уточнение месторасположения негерметичных участков. После устранения выявленных течей повторяют первоначальный этап испытаний с целью установления степени герметичности ОК. При этом наилучших результатов достигают в условиях, когда весь газовый поток прокачивается через течеискатель. Поэтому рекомендуется испытания объектов, поток газоотделения которых не превышает допустимый рабочий поток течеискателя, производить при отключенных средствах вспомогательной откачки и пропускать весь газовый поток через течеискатель. Например, для течеискателя ТИ1-14 максимальный допустимый рабочий поток составляет J = 2 10-4 м3 Па/с.

Рис. 10.9. Типовые схемы испытаний

В практике испытаний применяют способ гелиевых камер и чехлов, способ вакуумной камеры (барокамеры), способ вакуумных присосок, способ накопления пробного газа в камере, способ щупа и др. Рассмотрим типовые схемы испытаний, реализующие конкретные способы контроля. На рис. 10.9, а приведена схема, используемая, для испытания отдельных элементов или частей объектов, суммарный газовый поток которых превышает предельно допустимый поток течеискателя. На этой схеме, как и на всех последующих, штрихпунктирной линией обозначен течеискатель. Здесь выделены насосная группа (форвакуумный и диффузионный насосы) и анализатор 9, гелиевая течь 6, ручной клапан 7 для подключения гелиевой течи, электромагнитный клапан 5 для защиты входа, преобразователь давления 4 для контроля вакуума, клапан 8 используется для дросселирования входа течеискателя. Вспомогательный форвакуумный насос 3 подключается к объекту 1 через клапан 2. Этот насос отключается сразу после получения форвакуума (0,1... 1 Па) в объектах и в соединительных линиях, если суммарный газовый поток не превышает предельно допустимого потока течеиекателя. Если же суммарный газовый поток превышает допустимый, то испытания проводят с постоянно работающим механическим насосом. Проверяемый объект по этой схеме подсоединен непосредственно к входному фланцу течеискателя.
В отличие от предыдущей схему, приведенную на рис. 10.9, б, применяют при испытаниях объектов или их частей с большим газовым делением и натеканием, а также в случае подсоединения течеискателя к высоковакуумному объекту. Объект испытаний по этой схеме подключается через клапан 2 к высоковакуумному насосу 10, который в свою очередь соединен е форвакуумным насосом 3.

Рис. 10.10. Типовые схемы испытаний с локализацией течи

Когда возникает необходимость обеспечить максимальный отбор газа в течеискатель и малое время установления сигнала и тем самым обеспечить индикацию малых потоков, применяют схему, приведенную на рис. 10.9, в. Особенно часто такую схему используют при испытании сильно газовыделяющих или сильно натекающих объектов большого объема.
Использование высоковакуумного (например, паромасляного) насоса для вспомогательной откачки часто позволяет даже при большом газоотделении или натекании проверяемого объема получить в нем низкое общее давление, не превышающее максимальное рабочее давление в масс-спектрометрической камере течеискателя. Это дает возможность проводить испытания при полностью открытом входном вентиле течеискателя.
Способ щуповых испытаний (рис. 10.10, а) применяется для обнаружения мест течи в газонаполненных объектах. Щуп 1 представляет собой всасывающее устройство, проводимость которого: обеспечивает прохождение через него потока 2 10-3...5 10-3 м3 Па/с. Все обозначения в блоке течеискателя (обведенные штрихпунктирной линией) на рис. 10.10 идентичны обозначениям в. блоках течеискателя на рис. 10.9. Щуп перемещают вдоль поверхности испытуемого объекта, заполненного гелием. Для контроля терметичности листовых заготовок, незамкнутых, а также газонаполненных объектов и их частей применяют способ вакуумных присосок, реализация которого может быть выполнена по схеме на: рис. 10.10, б. При этих испытаниях вакуумная присоска 1 устанавливается на проверяемом участке поверхности, с противоположной стороны которой подается гелий.
В процессе испытаний малогабаритных изделий, проверяемых в цикле высокопроизводительного контроля, используется схема; приведенная на рис. 10.11. Схема включает ОК 2, размещенный в камере 1. Внутри объекта создается избыточное давление газа. Для создания в камере вакуума 0,7...10-2 Па используется форвакуумный насос 17 и высоковакуумный насос 19. Вакуумметры 26 и 25 применяют для контроля низкого и высокого вакуума соответственно. Для контроля утечки из ОК 2 гелия в камеру в схему включается течеискательное масс-спектрометрическое устройство (течеискатель), включающее масс-спектрометрическую камеру 23, форвакуумный 18 и высоковакуумный 20 насосы, азотную ловушку 21, контрольную течь «Гелит» 22, вакуумметры 27 и 28 и другие вспомогательные элементы. В процессе контроля герметичности объекта в камере предварительно создается необходимый вакуум, затем после соответствующей подготовки подключается масс-спектрометрическая камера 23 являющаяся преобразователем утечки в электрический сигнал. Элементы схемы соединены через вентили 3...15.

В последнее время при реализации масс-спектрометрического контроля все более широкое применение находят турбомолекулярные насосы (ТМН). Интерес, проявляемый к ТМН , не случаен. Эти насосы обладают рядом достбинств, такими, как небольшое время подготовки к испытаниям (3...5 мин), отсутствие необходимости использовать жидкий азот в процессе контроля, в спектре остаточного газа ТМН в значительной мере отсутствуют пары углеводородов, масс-спектрометрическая камера защищена от проникновения воздуха. Кроме того, у них значительно меньшая степень сжатия легких газов, чем более тяжелых.

Рис. 10.13. Структурная схема противотокового масс-спектрометрического контроля

Турбомолекулярные насосы удаляют газ из вакуумной системы с помощью движущихся частей. Такой способ работы насоса называется молекулярной откачкой. На практике более широкое применение получили ТМН с взаимно перпендикулярным движением рабочих поверхностей и потока (указан стрелками) откачиваемого газа (рис. 10.12). В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные колеса выполняют в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. Быстрота откачки ТМН слабо зависит от рода газа. Предельное давление 10-7...10-9 Па. На основе ТМН оказалось возможным создать противотоковый способ масс-спектрометрического контроля (рис. 10.13). Изделие 1 соединяют с форвакуумным насосом 4 и с линией предварительной откачки турбомолекулярного насоса 3. При обдуве объекта гелием и при наличии сквозных дефектов гелий, как пробное вещество, проникает через ТМН в направлении, противоположном направлению откачки в камеру масс-спектрометрического течеискателя 2 в результате диффузии.
На основе рассмотренной схемы созданы и создаются течеискательные установки и автоматизированные системы контроля герметичности. Отметим также, что в условиях больших газовых нагрузок способ противотока обеспечивает повышение чувствительности примерно в 6...8 раз. Учитывая приведенные выше достоинства масс-спектрометрических схем с ТМН, разработчики все чаще обращаются к их практической реализации.
Галогенный метод. Метод широко применяется в технике течеискания и успешно конкурирует с другими методами. Метод используется при контроле изделий больших объемов или систем с сильно разветвленными трубопроводами. Ему отдается предпочтение при контроле герметичности объектов, в которых галогеносодержащие вещества используются в качестве технологических (аэрозольные упаковки, кондиционеры, холодильники и др.).
Галогены (от греч. halos и genes - рождающий) - химические элементы фтор, бром, йод, хлор, составляющие главную подгруппу VII группы периодической системы.
Галогенный метод основан на использовании эффекта увеличения термоионной эмиссии с поверхности накаленной платины в присутствии галогеносодержащих веществ (хладоны, четыреххлористый углерод и т.д.). Впервые этот эффект был обнаружен в 1944 г. Райсом. Автор этого открытия и другие специалисты, впоследствии изучавшие этот эффект, установили, что явление наблюдается как при атмосферном давлении, так и в вакууме, но в любом случае необходимо присутствие некоторого количества кислорода или воздуха. Галогенные устройства, основанные на этом эффекте, имеют характерную зависимость приращения тока от концентрации пробного вещества, которая имеет максимум по току, затем уменьшается, несмотря на увеличение концентрации галогенов.
На основании анализа последующих работ доказано, что в основе галогенного метода лежит каталитическая химическая реакция. Она происходит в несколько стадий: термическая диссоциация исходной молекулы пробного вещества, образование оксидов галогенов на поверхности платины и их распад. Плотность эмиссионного тока пропорциональна скорости этой основной реакции. Параллельно протекает реакция дезактивации чувствительного элемента благодаря воздействию углерода, образующегося при термическом распаде галогенов.
В качестве пробных галогеносодержащих веществ используются фреоны (хладоны), например фреон-12, фреон-22. Характеристика этих фреонов приведена в табл. 10.3.

Таблица 10.3

Фреоны - химически инертные и малотоксичные вещества. Обезвоженные фреоны в жидком и парообразном состоянии совершенно инертны ко всем металлам. Однако будучи хорошими растворителями многих органических веществ, вызывают набухание уплотняющих прокладок. Поэтому, когда применяется фреон как пробное вещество, используют фреоностойкую резину. Для фреона-22 рекомендуются прокладки из политетрафторэтилена.
Галогенный метод, так же как масс-спектрометрический, позволяет вести контроль герметичности по различным схемам, в том числе на его основе проводить испытания в автоматизированном режиме.
Широкому промышленному применению метода в стране и за рубежом способствует серийный выпуск галогенных течеискателей - приборов, простых и надежных в эксплуатации и вместе с тем обладающих достаточно высокой чувствительностью.
Чаще всего галогенный метод используют по способу щупа, при котором внутрь вводят галогеносодержащее пробное вещество, а снаружи вдоль предполагаемых мест течей перемещают щуп, соединенный с регистрирующим прибором (течеискателем). Чтобы не загрязнять помещение галогенами, перед испытаниями с помощью галогенного течеискателя необходимо произвести испытания менее чувствительными методами, например манометрическим. Испытания галогенным течеискателем можно начинать только после того, как грубые течи устранены или установлено, что они отсутствуют. Это правило важно иметь в виду всегда, когда используется какой-либо высокочувствительный метод контроля герметичности или когда в процессе испытаний применяется пробное вещество, потери которого нежелательны по экономическим или экологическим соображениям.

Испытания можно производить чистым фреоном или смесью фреона с воздухом. Как правило, испытания чистым фреоном проводят при небольших объемах ОК в соответствии со схемой, представленной на рис. 10.14. Предварительно с помощью вакуум-насоса 3 через вентили 2 и 4 ОК 5 откачивают воздух, создавая небольшое разрежение. Затем через вентиль 1 ОК заполняют фреоном, давление которого ограничивается упругостью пара фреона при температуре испытаний. Так, например, при температуре 20°С давление паров фреона составляет 0,573 10-5 Па = 5,78 кгс/см2. После заполнения ОК фреоном производят обследование с помощью щупа галогенного течеискателя. После проведения испытаний фреон поступает на регенерацию с целью последующего его использования при дальнейших испытаниях.
При испытаниях смесью фреона с воздухом рекомендуется схема, представленная на рис. 10.15. В этом случае в ОК 5 под давлением впускают сначала некоторое количество газообразного фреона, а затем внутрь ОК через вентиль 6 подают сжатый воздух для создания необходимого давления смеси фреона и воздуха (остальные обозначения - как на рис. 10.14). Этим обеспечивается необходимая чувствительность испытаний при малой концентрации фреона как пробного вещества. После проведения испытаний смесь удаляют из ОК с помощью системы регенерации. Чувствительность испытаний труб галогенным течеискателем определяют по формуле

(10.10)
где С - концентрация фреона в смеси, Рс - давление смеси газов; Ра - атмосферное давление; ηс - вязкость смеси газов, ηв - вязкость воздуха.
Изменяя давление смеси или концентрацию фреона, можно в широких пределах изменять чувствительность испытаний.

Рис. 10.16. Чувствительный элемент галогенного течеискателя

Галогенные течеискатели основаны на использовании свойства накаленной платины резко увеличивать эмиссию положительных ионов в присутствии веществ, содержащих галогены.
Чувствительный элемент течеискателя, закрепленный на основании 4, представляют собой платиновый диод с навитым на керамическую трубку анодом прямого накала (рис. 10.16). Испаряемые из керамического полого элемента 3 щелочные металлы ионизируются на накаленной поверхности платины эмиттера 1. Ионы из него поступают на второй электрод - платиновый коллектор 2, соединенный со входом усилителя постоянного тока. Стрелочный прибор на выходе усилителя регистрирует увеличение ионного тока при обнаружении течи. Сигнал дублируется звуковым индикатором.
Галогенный преобразователь выполнен как щуп пистолетного типа. В передней его части расположен чувствительный элемент. Вентиляционное устройство расположено за чувствительным элементом и обеспечивает непрерывный проток через него газовоздушной смеси.
В комплект серийного галогенного течеискателя ГТИ-6 кроме атмосферного преобразователя входит также вакуумный преобразователь. Он смонтирован на фланце и содержит, кроме чувствительного элемента, кислородный инжектор, разогреваемый собственным теплом работающего преобразователя. Инжектор выделяет кислород в результате термического разложения марганцево-кислого калия (КМnО)4. Применение кислородного инжектора способствует сохранению высокой чувствительности преобразователя, работающего в условиях высокого вакуума.
Галогенные течеискатели снабжают калиброванной течью «Галот», действие которой основано на равновесном истечении сублимирующего пара твердого вещества (гексахлорэтана) через постоянно открытое малое отверстие. При этом имитируется поток фреона-12 в диапазоне от 0,9 10-7 до 1,3 10-6 м3 Па/с.
Для испытания объектов (изделий) в полевых условиях или при необходимости обеспечения автономности питания используются батарейные течеискатели типа БГТИ-7, которые имеют блок регистрации с чувствительным элементом и блок аккумуляторов.
С 1988 г. начат серийный выпуск галогенных течеискателей ТИ2-8, порог чувствительности которых соответствует порогу чувствительности течеискателя ГТИ-6. Однако течеискатель ТИ2-8 выполнен на новой элементной базе, более компактен и удобен в работе. Он предназначен для контроля герметичности различных систем и объемов, допускающих откачку внутренней полости, а также заполненных хладоном и смесью газов , содержащих галогены. Постоянная времени течеискателя не более 1,5 с. Конструктивно он выполнен в виде выносного щупа и регистрирующего устройства. Кроме этого он снабжается вакуумным датчиком и обдувателем. Порог чувствительности 1 10-7 м3 Па/с. На его основе могут быть реализованы испытания как в атмосферных условиях, так и в вакууме.
В последние годы начали появляться новые типы галогенных течеискателей, отличие которых от серийных моделей состоит в том, что в чувствительном элементе происходит пространственное разделение керамического материала и эмиттера с коллектором. В этом случае уменьшается возможность отравления чувствительного элемента и повышаются его общие эксплуатационные характеристики.
Следует отметить, что область применения галогенных течеискателей в перспективе будет сужаться, что объясняется последовательным отходом от использования при испытаниях фреона, разрушающего озоновый слой Земли. Видимо, в дальнейшем галогенные течеискатели будут чаще всего использоваться для контроля в системах следов галогенов, в исследовательских лабораториях и в специальных случаях испытания объектов.
Катарометрический метод контроля герметичности основан на использовании зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации одного из ее компонентов (пробного вещества), теплопроводность которого значительно отличается от теплопроводности остальных компонентов.
Чтобы представить возможности метода, приведем данные о теплопроводности некоторых газов λг (табл. 10.4).
Сравнение теплопроводностей отдельных газов и воздуха показывает, что использование катарометрического метода предпочтительно в тех случаях, когда в качестве пробных газов берут гелий либо водород или когда внутри ОК находится хлор.

Таблица 10.4
Теплопроводность некоторых газов и паров при 0°С и 98,1 к Па

Для практического применения зависимость теплопроводности газовой смеси от состава описывается уравнением, аддитивным относительно теплопроводностей отдельных компонентов смеси:
(10.11)
где С 1, С 2,..., Сn - концентрация компонентов в долях единицы; λ1, λ2,…, λn - теплопроводности компонентов.
Катарометрический метод неизбирателен, он может быть использован для контроля утечки бинарных или квазибинарных пробных газов, для которых соотношение (10.11) может быть приведено к виду
(10.12)
где С п - объемная доля пробного газа; λср - средняя теплопроводность суммы неопределяемых компонентов (например, в воздухе). При этом λг>>λср.
Как следует из уравнения (10.12), для бинарной газовой смеси ее теплопроводность - однозначный критерий потока пробного газа.
Для измерения теплопроводности газовой смеси используется нагреваемый током проводник, помещенный в камеру, заполненную анализируемой смесью. Если теплоотдача от проводника к стенкам камеры в основном осуществляется в результате теплопроводности, то имеет место следующая зависимость:
(10.13)
где Q т - количество теплоты, отдаваемой проводником в секунду; l , d - длина и диаметр проводника; D - диаметр камеры; λсм - теплопроводность смеси газов; t п, t c - температура проводника и стенок камеры.
При постоянстве отдаваемой проводником теплоты Q т и температуры стенок камеры t c, зависящей от температуры окружающей среды, теплопроводность газовой смеси будет однозначно определять температуру проводника, а следовательно, и его сопротивление, которое включено в цепь мостовой измерительной схемы. На основе этой зависимости выполняются катарометрические течеискатели и устройства.

Рис. 10.17. Схема чувствительного элемента катарометрического течеискателя (а),
мостовая схема течеискателя (б)

Датчик течеискателя состоит из корпуса 1 с двумя параллельными протяжными каналами (рис. 10.17, с), в которые вмонтированы две Тонкие платиновые или платинородиевые нити 2, выполняющие функцию электрических сопротивлений. На рис. 10.17, б показаны сопротивления R 1и R 2, включенные в цепь мостовой измерительной схемы. Датчик оформлен в виде выносного щупа, который используется для процесса щуповых испытаний контролируемых объектов. В комплекте течеискателя имеется несколько наконечников разной конфигурации для удобства подхода к труднодоступным контролируемым поверхностям.
На примере течеискателя типа ТП 7101М рассмотрены конструктивные и схемные особенности катарометрических течеискателей и возможные направления их совершенствования. Этот течеискатель выполнен портативным, что дает возможность проводить испытания крупногабаритных и протяженных объектов одному или нескольким операторам, разграничив их области контроля. Щуп-преобразователь течеискателя соединяется с измерительным блоком гибким шлангом. В массивном медном корпусе преобразователя расположены рабочая и сравнительная ячейки. Выходные отверстия ячеек соединены с общим источником расхода газа, размещенным в измерительном блоке. Для индикации течи измерительный блок снабжен стрелочным прибором и звуковым сигнализатором. Оценка динамики катарометрического течеискателя показала, что время достижения максимального сигнала составляет около 1 с. Это объясняется запаздыванием при перемещении пробного газа к чувствительным элементам. Время спада сигнала еще больше и составляет примерно 5 с. Порог чувствительности по гелию 2,3 10-6 м3 Па/с. Масса 4 кг.
Как видно, чувствительность течеискателя невелика. Однако универсальность течеискателя является его большим достоинством, так как один и тот же прибор в той или иной степени пригоден для поиска течей при опрессовке изделий различными газами. Перспективно применение такого течеискателя для проверки газопроводов с горючими газами (природным газом, пропаном, бутаном и т.п.). Область применения катарометрических течеискателей распространяется также на случаи, когда необходимо перед высокочувствительными испытаниями выявить грубые течи, т.е. осуществить предварительный контроль объектов.
Электронно-захватный метод основан на способности молекул некоторых газов захватывать электроны, превращаясь при этом в электроотрицательные ионы. Это свойство веществ называют сродством к электрону. Оно характеризуется энергией, выделяющейся при образовании отрицательно заряженного иона. Например, сродство к электрону атомов кислорода равно 1,46 эВ.
Схематично этот процесс может быть рассмотрен на основе приведенного ниже соотношения. Под действием радиоактивного излучения β-трития в камере детектора происходит ионизация молекул газа N 2 и образуются медленные электроны е м:
(10.14)
Под влиянием приложенного напряжения эти электроны перемещаются к аноду, вследствие чего в цепи возникает ток. При попадании в камеру чувствительного элемента газа, содержащего молекулы, обладающие сродством к электрону, возникают отрицательные ионы. Они обладают значительно большей, чем электроны, способностью к рекомбинации с положительными ионами азота, что в конечном итоге приводит к уменьшению числа электронов, попадающих на анод, и соответственно к уменьшению ионизационного (фонового) тока. Уменьшение этого тока при прохождении через чувствительный элемент пробного газа служит мерой его количества.
Так как различные газы обладают различной способностью К захвату электронов, то чувствительные элементы таких течеискателей характеризуются избирательностью, например, к галогеносодержащим, органическим соединениям. Чувствительность электроннозахватных чувствительных элементов к различным пробным газам зависит от степени электроотрицателыюсти или сродства к электрону этих газов. Однако электронное сродство пробного газа меняется с энергией свободных электронов. Средняя величина энергии электронов в ионизационной камере определяется электрическим полем и природой газа носителя. Средняя энергия свободных электронов при определенной напряженности электрического поля больше у одноатомных газов (например, аргон) и меньше у многоатомных, например, углекислый газ. При соответствующем подборе газаносителя и потенциала, приложенного к камере, можно получить электроны с любой средней энергией, вследствие чего электронно-захватные течеискатели могут быть сделаны селективно чувствительными к различным пробным газам.
Существует несколько видов электронно-захватных течеискателей. Все они характеризуются индицированием течей с применением в качестве пробных веществ электроотрицательных газов и паров. Для обнаружения течей в вакуумных системах удобен вакуумметр-течеискатель ВТИ-1, который состоит из магнетронного манометрического преобразователя и простого измерительного блока. Преобразователь подсоединяется к вакуумной системе. При поиске течей с помощью ВТИ-1 используют фреон-12 и элегаз (SF6). Наиболее целесообразно использовать ВТИ-1 для проверки герметичности безмасляных вакуумных систем.

Рис. 10.18. Схема электронно-захватного течеискателя

Значительно шире область применения универсальных электронно-захватных течеискателей, не требующих вакуумйрования проверяемых объектов. Прежде всего это относится к течеискателю, получившему название электронно-захватный (по названию электронно-захватного детектора, широко используемого в хроматографии). Течеискатель представляет собой двухэлектродную ионизационную камеру с радиоизотопным (тритиевым) источником ионизирующего β-излучения. Преобразователь I течеискателя состоит из детектора 3, эжектора 2 и дросселя 4 для регулирования отбора смеси газов (рис. 10.18). Эжектор, создавая разрежение, обеспечивает подачу пробного газа или воздуха в чувствительный элемент. Преобразователь соединен с полой иглой-зондом 1. Измерительный блок II включает вспомогательные пневматический дроссели 5 и 7 для подстройки расхода газа-носителя, фильтр 8 для очистки газа-носителя от частиц масла и других примесей Электрическая часть измерительного блока включает блок питания 8, усилитель 9, устройство автокомпенсации сигнала течеискателя 10 и регистрирующий прибор 11. Кроме этих систем и блоков в измерительную часть течеискателя входят также звуковой генератор сигнализации течи, компаратор и другие элементы не показанные на схеме. Течеискатель может быть связан с внешними устройствами, такими, как система записи сигнала, устройство автоматической отбраковки негерметичных изделий и др.

Рис. 10.19. Схема плазменного течеискателя

Применение рассматриваемого электронно-захватного течеискателя весьма эффективно при поиске течей в высоковольтных электротехнических устройствах с элегазовым наполнением. Он может конкурировать с манометрическим устройством, контролируя утечку воздуха в камере, продуваемую азотом. В этом случае достигается порог чувствительности 1 10-5 м3 Па/с.
Плазменный течеискатель ТП2, также регистрирующий утечки электроотрицательных пробных веществ, состоит из разрядной трубки-натекателя 1, электродов конденсатора 2, измерительного блока 3 и узла индикации течи 4 (рис. 10.19). Течеискатель основан на использовании свойств тлеющего разряда, который шунтируя высокочастотный резонансный контур, вызывает срыв высокочастотной генерации. При появлении в разрядной трубке электроотрицательного газа частота срывов генерации возрастает за счет увеличения скорости рекомбинации ионов. Измерительный блок обеспечивает выработку сигналов, пропорциональных частоте срывов высокочастотных колебаний и концентрации электроотрицательной примеси в воздухе, прокачиваемом через трубку.
Течеискатель портативен, удобен в работе, достаточно чувствителен к пробным газам, имеет малую массу (2 кг), в основном используется для поиска течей способом щупа. Чувствительность к потоку элегаза (SF6) составляет 0,7 10-9 м3 Па/с, к потоку фреона-22 - 1 10-8 м3 Па/с. Постоянная времени течеискателя - не более 1с.
Химический метод. При контроле объектов, эксплуатируемых с применением специальных газов и газовых смесей, а также во всех других случаях, когда известные методы контроля герметичности оказываются малопригодными, химический метод оказывается наиболее приемлемым. Известны несколько модификаций этого метода: нанесение на объекты индикаторной массы; применение индикаторных лент; применение индикаторной краски.
Общим для всех модификаций является применение соответствующего пробного газа, создание избыточного давления этого газа в объекте и визуальное наблюдение эффекта взаимодействия пробного газа с химическим составом, тем или иным способом нанесенным на предполагаемые места течи. Чаще всего в качестве пробного газа используется технологический газ или смесь газов .
В качестве индикаторных масс могут применяться различные сочетания химических веществ. Основные требования к индикаторным массам следующие: высокая чувствительность к пробному газу; сохранение технологических свойств в течение времени, необходимого для осмотра объекта; индикаторная масса не должна быть агрессивной по отношению к материалу ОК.
В качестве пробного газа используют двуокись углерода различной концентрации и некоторые другие газы. При наличии течей пробный газ, взаимодействуя с индикаторной массой, вызывает появление пятен различного цвета (желтого, синего и др.). Стойкость пятен после прекращения контакта индикаторной массы с пробным газом составляет до 50 мин. Свойства нанесенной индикаторной массы сохраняются в течение десятков часов.
Принцип контроля герметичности оборудования с применением индикаторных лент заключается в наклеивании последних на предполагаемые места течи и наблюдении за образованием пятен при взаимодействии индикатора, которым пропитана лента с пробным газом. Индикаторные ленты изготавливают, как правило, из хлопчатобумажных тканей. Их пропитка осуществляется в специальном растворе до получения равномерной окраски. Состав одного из рекомендуемых растворов, которым пропитывают ленты- 100 мл этилового спирта, 15...20 мл глицерина, 1...2 г бром-фенолового синего и 20%-ный раствор серно-кислого аммония. Кроме этого раствора применяют также фенолфталеин и другие составы. С целью исключения ложных окрасок индикаторных лент в загазованных помещениях иногда одна из поверхностей ленты покрывается прозрачной газонепроницаемой пленкой, которая имеет липкую поверхность для соединения с индикаторной лентой и испытуемой емкостью. Наличие прозрачной пленки способствует накоплению выходящего из емкости газа под пленкой и окрашиванию индикаторной ленты, а также повышает чувствительность контроля и создает защиту от окрашивания содержащимися в помещении газами.
Наиболее часто в качестве пробного газа используют воздушно-аммиачную смесь с концентрацией аммиака до 1...3%. Определение герметичности сводится к визуальному осмотру предполагаемых мест течи, на которые наложена индикаторная лента, и к фиксированию на ней пятен, соответствующих местам течи. Чувствительность способа индикаторных лент составляет от 1 10-7 до 7 10-7 м3 Па/с.

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ. Кн. I. Общие вопросы. Контроль проникающими веществами. Гурвич, Ермолов, Сажин.

Вы можете скачать документ