CC BY
29
УДК 621.896-82-762 10.18698/0536-1044-2016-10-57-63
Частотные методы калибровки средств контроля герметичности
В.А. Макаров1, Ю.С. Асадова1, Р.Е. Тютяев2
1 Московский технологический университет, 119454, Москва, Российская Федерация, Проспект Вернадского, д. 78
2 Группа Компаний «Русский Свет», 111123, Москва, Российская Федерация, шоссе Энтузиастов, д. 56, стр. 8
Frequency Methods
for Calibrating Leak Detectors
V.A. Makarov1, Y.S. Asadova1, R.E. Tyutyaev2
1 Moscow University of Technology, 119454, Moscow, Russian Federation, Vernadskiy Ave, Bldg. 78
2 Russkiy Svet Group of Companies, 111123, Moscow, Russian Federation, Shosse Entuziastov, Bldg. 56, Block 8
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Важной проблемой многих отраслей промышленности является повышение требований к качеству и надежности выпускаемой продукции, что вызывает острую необходимость совершенствования существующих и создания новых средств и методов контроля, в том числе контроля герметичности. Рассмотрены методы калибровки газоаналитических и манометрических приборов контроля герметичности, основанные на переносе определенного количества молекул из измерительной камеры, которая проверяется на герметичность, в камеру сброса через дроссельное устройство, называемое частотным сопротивлением. Предлагаемый частотный метод повышает стабильность потоков пробных газов при калибровке газоаналитического течеискателя путем исключения влияния изменения барометрического давления, температуры окружающей среды и механических примесей, находящихся в пробном газе. Определена динамическая погрешность калибровки при заполнении и опустошении калибровочной камеры. Приведены схемы калибровки газоаналитического течеискателя и манометрического прибора контроля герметичности.
Ключевые слова: калибровка, газоаналитический течеискатель, манометрический те-чеискатель, контроль герметичности, дроссельное устройство.
The increasing requirements for quality and reliability of manufactured goods is an important issue in many industries. This necessitates the upgrade of existing equipment and the development of new devices and methods of control including those for leakage testing. Calibration methods for gas-analytical and manometric leakage testing devices are reviewed. These methods are based on the transfer of a certain number of molecules from the measuring chamber that is being tested for leaks, to the discharge chamber through a throttling device called frequency resistor. The proposed frequency method increases the stability of test gas flows when the gas-analytical leak detector is calibrated by eliminating the impact of changes in barometric pressure, ambient temperature and mechanical impurities in the test gas. The dynamic error of calibration is determined when the calibration chamber is being filled and emptied. The calibration schemes for the gas-analytical leak detector and the manometric leak testing device are presented.
Keywords: calibration, gas-analytical leak detector, manometric leak detector, leakage testing, throttling device.
Калибровка средств контроля герметичности является одной из важных проблем метрологического обеспечения такой аппаратуры. В основном калибровку осуществляют с помощью дроссельных сопротивлений [1]: через них создается определенный поток, посредством которого и калибруются газоаналитические и манометрические приборы контроля герметичности. Стабильность этих потоков невелика, поскольку, с одной стороны, они подвержены влиянию изменения барометрического давления и температуры окружающей среды, а с другой — выходные отверстия калибровочных дросселей засоряются вследствие механических примесей и влаги, находящихся в испытательном (пробном) газе.
Цель работы — определение статических и динамических погрешностей нового метода калибровки газоаналитических течеискателей [2] и манометических приборов контроля герметичности, основанного на переносе определенного количества молекул из проверяемой на герметичность измерительной камеры в камеру сброса через устройство, называемое частотным сопротивлением.
Схема, поясняющая суть предлагаемого метода калибровки газоаналитических течеиска-телей (рис. 1), включает в себя три камеры: измерительную 1 объемом VI, находящуюся под постоянным давлением p¡; калибровочную 7 объемом V0 и сброса 5 объемом Vk, в которой поддерживается постоянное давление pk. Калибровочная камера 7 соединена с камерами 1 и 5 клапанами 8 и 6 соответственно. При этом давление р, будет больше давления pk, вследствие чего поток газа направлен из измерительной камеры через калибровочную в камеру сброса через клапаны, управляемые с помощью генератора 3 инверсными сигналами t и г.
Калибровку газоаналитического течеиска-теля осуществляют следующим образом. В исходном положении клапан 8 под действием
Р,
"о
сигнала t открыт, а клапан 6 под действием сигнала г закрыт. Пробный газ заполняет измерительную 1 и калибровочную 7 камеры и находится под давлением р,. Количество молекул в камере 7 объемом V0 [3] определяется по формуле
М, = ' кТ
(1)
где к — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура газа.
По сигналу г калибровочная камера соединяется через открытый клапан 6 с камерой сброса, а закрытый клапан 8 изолирует ее от измерительной камеры. Пробный газ заполняет камеры 7 и 5 и находится под давлением рк. Тогда количество молекул в камере 7 определяется по выражению
*=^
кТ
При давлении р, > рк количество молекул, перетекающих из измерительной камеры через калибровочную в камеру сброса за один такт, составляет
дм=N - Мк=кт (р< - рк).
За п тактов генератора общее число молекул
N = дмп=кТ(р, - Рк).
Молекулярный расход определяется по формуле [4]
йМ йп к0 . ч йг йг кТ '
(2)
С учетом того, что йп/йг = /, получим молекулярный расход
_ йМ /У0, Л О = ^ = Т^(р> - Рк ), йг кт
где / — частота переключений генератора.
Общий поток газа через калибровочную камеру
Ом = ОкТ = /к,(р, - рк). Введем обозначение коэффициента расхода:
Тогда
Рис. 1. Схема калибровки газоаналитического течеискателя
а = /V).
Ом =а(р, -рк).
(3)
Поскольку коэффициент расхода а не зависит от температуры и давления газа, уравнение (3) представляет собой линейную функцию потока QN от перепада давления (pi -pk).
В частном случае, если давление в камере сброса равно атмосферному 00 , то поток
QN =ар*,
где р* — избыточное давление.
Значение потока при калибровке газоаналитического течеискателя, определяемое расчетным путем, зависит от частоты переключений клапанов, фиксируемой частотомером 4, давления в камере 1, измеряемого манометром 2, и калибровочного объема У0.
Предлагаемый частотный метод повышает стабильность потоков пробных газов при калибровке газоаналитического течеискателя путем исключения влияния изменения барометрического давления, температуры окружающей среды и механических примесей, находящихся в пробном газе.
При постоянстве параметров окружающей среды и давления р1 в камере, относительная погрешность 8 калибровки течеискателя определяется как отношение количества молекул ДЫ, перетекающих из измерительной камеры в калибровочную за один такт, к количеству молекул N перетекающих в калибровочный объем за Пк тактов [5]:
8 =
пк
X т
i=l
Ут <»- рк >
У0Пк кТ
(Р> - Рк >
1
Пк
а
_
(
г
Рис. 2. Характеристики заполнения и опустошения калибровочной камеры: а — граничная частота следования импульсов с периодом й-р; б — реальная частота следования импульсов с периодом t > бр
• время заполнения калибровочной камеры в одном такте
tз =-
У0
йт
где Пк — количество тактов генератора, необходимое для снижения давления Др на значение цены деления измерительного прибора.
Таким образом, увеличивая количество тактов, можно уменьшить относительную погрешность.
Динамическую погрешность калибровки определяют исходя из времени заполнения и опустошения калибровочной камеры. В предельном случае период следования импульсов должен составлять ^р (рис. 2, а), а в общем — t > ^ (рис. 2, б).
Учитывая, что режим истечения газа в двух взаимосвязанных камерах является турбулентным, с помощью формул, приведенных в работе [6], определим:
е/Л/Т^ К(т)'
где £ — коэффициент расхода при турбулентном режиме; / — площадь проходного сечения дросселя; т = р, /рк — отношение абсолютных давлений при заполнении калибровочной камеры; Т0 — значение т при t = 0;
Цт) =, 2gR— V;2/с -;(с+1)/с V с -1
(с — отношение теплоемкости воздуха при постоянном давлении к его теплоемкости при постоянном объеме; R — газовая постоянная; g — ускорение свободного падения);
• время опустошения калибровочной камеры в одном такте
У0
г йт
^ тГ(т')'
(4)
tо Е/у/Т^ т%(т') где т = рк /pi — отношение абсолютных давлений при опустошении калибровочной камеры;
к/) = 2 .
с-1
Поскольку t гр = t з +1 о, имеем
Ъгр
У0
<• йт <• ат
КСт) + ' тХ(г)
V т^ ю
йт
Следовательно, граничная частота работы генератора
1 1
/гр
гр
vo
Е/^Т
ir
i
V13
dr
- +
i
J у ;
dr'
X
Ur) i r %(r)
/Vo
(5)
V dp* _ /Vop*
(6)
kT dt kT Разделяя переменные в уравнении (6), имеем
dp* _ /Vo
dt.
Оценим значение граничной частоты для реального случая. Пусть измерительный объем Vi = 200 см3, избыточное давление p = = 0,01 МПа, падение давления за один такт работы генератора — 50 Па, тогда калибровочный объем V0 = 1-106 м3, При таких данных tTp = = 5-10-4 c,/Гр = 2-103 Гц = 2 кГц.
Таким образом, при реальной частоте работы генератора 100 Гц динамическая погрешность будет исключена.
Частотное сопротивление можно использовать и при калибровке манометрических тече-искателей, в которых основным параметром является изменение Ар испытательного давления [7]. Определение Ар при калибровке представляет большие трудности в связи с их малыми значениями. Так, в диапазоне значений степени герметичности 10-3...10-7 м3-Па/с Ар необходимо регистрировать в интервале 5.100 Па при испытательном давлении р от 0,02 до 1,0 МПа. Задача определения Ар особенно затруднена при малых измерительных объемах, когда испытательное давление р в объеме V не остается постоянным в течение времени контроля At. Естественно, обычными средствами измерений осуществить такую поверку невозможно, поэтому предлагается использовать косвенные методы, основанные на использовании частотного сопротивления.
Число молекул, проходящих через частотное сопротивление в единицу времени, представляет собой молекулярный расход, определяемый по формуле (2). Отсюда следует
р V
Проведя интегрирование и представив постоянную интегрирования в форме С * = 1п С, получим:
Отсюда
ln p*_-V t + ln С. V
/Vo t
р* = Се V .
Обозначив значение давления р при г = 0 как р*, находим С = р*. Тогда
p _ p*e
(7)
где т = к/(/Ус).
Согласно формулы (7), давление в камере при данном процессе меняется по экспоненциальному закону. Отсюда падение давления в камере малого объема
др = р*-р* = р* [1 - г т ) = р* [1 - г к ),
где /гаъ = п — число тактов генератора, необходимых для падения давления от значения р*
до р*.
Таким образом
( -101 Др = р* I 1 - г у
(8)
Из выражения (8) следует, что падение давления на каждом такте работы генератора представляет собой следующий ряд:
к0
dN
dt kT
Приняв процесс изменения давления в камере изотермическим, получим из уравнения состояния pV = NkT следующее соотношение:
dN = V^dp dt kT dt
При постоянном испытательном давлении рн = const dp = dp*, поэтому из последнего соотношения и уравнения (5) следует
Ap1 _ p* V1 - e
- Vol - Vo. Ap2 _ p**e V V1-e V
-2Vo ( -Vo Ap3 _ p*e V V1-e V
(n-1)Vo
Apn _ p**e V V1-e V J.
Vo
Сумма членов этого ряда за n тактов работы генератора равна падению давления
n
Ар = Yfyi.
i=1
Приняв за Ap цену деления прибора значение Арц, разбиваем ее на n частей (рис. 3). Изменяя количество тактов генератора, можно фиксировать малые значения падения давления в камере, заданные в технической документации.
Для проведения математического моделирования процесса падения давления в камере малого объема определим реальные параметры системы [8]. Для этого построим зависимости калибровочного объема от количества тактов работы генератора (рис. 4) для следующих исходных данных: р* = 0,02; 0,04; 0,08 МПа; Ар* = 500 Па; V = 50 см3.
Время, в течение которого давление в измерительной камере падает от значения р* до р*, определяется по формуле [9]
р* V рb
tah =-xln^- = —— ln^-.
Отсюда
Ар,-с
Р*ь
tab'
th
Рис. 3. Зависимость давления в измерительной камере р от времени t
VQ, MM 120 100 80 60 40 20
fv ра
t v, ра
n=ftah = - р*;
V0 =-V ln 4.
Анализ рис. 4 показал, что для выбранных параметров измерительной системы в диапазоне п от 5 до 100 размер калибровочного объема Уо существенно меньше размера объема V. Отсюда следует, что значения Др, равны между собой с точностью до десятых долей Па, что подтверждается следующими расчетами.
Рассмотрим камеру объемом V = 50 см3 с давлением в ней р = 0,02 МПа и требуемой степенью герметичности В = 3-10-4 (м3-Па)/с. В качестве регистрирующего прибора используем манометр М0-250-1 с ценой деления 250 Па [10]. Зададим относительную погрешность 2 % или абсолютную погрешность измерений 5 Па. Необходимое количество тактов генератора для достижения падения давления на одну цену деления 250 Па составляет 50. С помощью формулы (4) определим значение калибровочного объема: У) =12,6 мм3. По формулам (9) найдем
1
\
\ \
\ \ \ ............................ ^1
\ \ * V V -х 2 3
\ ----
0
20
60
100
140 180
Рис. 4. Зависимость калибровочного объема У0 от количества тактов работы генератора п при р* = 0,02 (1); 0,04 (2) и 0,08 (3) МПа
значения 1-, 10- и 50-го членов ряда: Др1 = 5,04 Па, Др10 = 5,03 Па, Др50 = 4,98 Па. Отсюда видно, что значения Др, различаются не более чем на 1,2 %.
Принимая за достоверное значение абсолютную погрешность 5 Па, получим необходимое количество тактов работы генератора для достижения падения давления в камере Др = 50 Па, равное 10. Отсчитав 10 тактов работы генератора, фиксируем малое падение давления, равное 50 Па.
Выводы
1. Разработан новый метод калибровки газоаналитических и манометрических приборов контроля герметичности, позволяющий повысить стабильность потоков пробных газов при калибровке течеискателей.
2. Определены статические и динамические погрешности калибровки в заданной области контролируемых параметров.
Литература
[1] Евлампиев А.И., Попов Е.Д., Сажин С.Г., Сумкин П.С. Течеискание. Москва, Спектр,
2011. 208 с.
[2] Макаров В.А., Тютяев Р.Е., Тютяева Л.Н. Способ калибровки газоаналитического тече-
искателя. Пат. 2504748 С2 РФ, 2014, бюл. № 2, 4 с.
[3] Клюев В.В., ред. Неразрушающий контроль: Справочник. Москва, Машиностроение,
2003, т. 2. 181 с.
[4] Квасников И.А. Молекулярная физика. Москва, Изд-во Лаброком, 2013. 304 с.
[5] Макаров В.А., Асадова Ю.С., Тютяев Р.Е. Калибровка газоаналитических течеискате-
лей. Современная наука: теоретический и практический взгляд. Матер. Междунар. науч.-практ. конф. В 2 ч. Ч. 1. Уфа, Аэтерна, 2015, с. 19-24.
[6] Ланис В.А., Левина Л.Е. Техника вакуумных испытаний. Москва, Госэнергоиздат, 1963.
264 с.
[7] Макаров В.А., Асадова Ю.С., Тютяев Р.Е. Определение параметров течения газов в де-
фектах изделий методом электрогидравлической аналогии. Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении. Матер. IV Междунар. науч. конф. Москва, ИМАШ РАН-МИРЭА, 2015, с. 151-154.
[8] Белокрылов И.В. Основы вакуумной техники. Омск, Изд-во ОмГТУ, 2007. 40 с.
[9] Лещинский В.П. Основы гидропневмоавтоматики. Москва, МИРЭА, 2006. 104 с.
[10] Пухаренко Ю.В., Норин В.А. Метрология, стандартизация и сертификация. Москва, Изд-во Лань, 2016. 308 с.
References
[1] Evlampiev A.I., Popov E.D., Sazhin S.G., Sumkin P.S. Techeiskanie [Leak Testing]. Moscow,
Spektr publ., 2011. 208 p.
[2] Makarov V.A., Tiutiaev R.E., Tiutiaeva L.N. Sposob kalibrovki gazoanaliticheskogo
techeiskatelia [The process calibration gas detection leak detector]. Patent RF no. 2504748, 2014. 4 p.
[3] Nerazrushaiushchii kontrol': Spravochnik [Non-destructive testing: a handbook]. Ed.
Kliuev V.V. Moscow, Mashinostroenie publ., 2003, vol. 2. 181 p.
[4] Kvasnikov I.A. Molekuliarnaia fizika [Molecular physics]. Moscow, Labrokom publ., 2013.
304 p.
[5] Makarov V.A., Asadova Iu.S., Tiutiaev R.E. Kalibrovka gazoanaliticheskikh techeiskatelei
[Calibration gas analytical leak detectors]. Sovremennaia nauka: teoreticheskii i praktich-eskii vzgliad. Materialy Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Modern science: theoretical and practical view. International scientific-practical conference]. In 2 pt. Pt. 1, Ufa, Aeterna publ., 2015, pp. 19-24.
[6] Lanis V.A., Levina L.E. Tekhnika vakuumnykh ispytanii [Technique vacuum test]. Moscow,
Gosenergoizdat publ., 1963. 264 p.
[7] Makarov V.A., Asadova Iu.S., Tiutiaev R.E. Opredelenie parametrov techeniia gazov v
defektakh izdelii metodom elektrogidravlicheskoi analogii [Determination of gas flow parameters in the manufacturing defects by an electrohydraulic analogy]. Fundamental'nye is-sledovaniia i innovatsionnye tekhnologii v mashinostroenii. Materialy 4 Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii [Fundamental research and innovation in engineering. Proceedings of the 4 International Scientific Conference]. Moscow, IMASh RAN-MIREA publ., 2015, pp. 151-154.
[8] Belokrylov I.V. Osnovy vakuumnoi tekhniki [Fundamentals of vacuum technology]. Omsk,
OmSTU publ., 2007. 40 p.
[9] Leshchinskii V.P. Osnovy gidropnevmoavtomatiki [The basics of hydraulic and pneumatic
automation equipment]. Moscow, MIREA publ., 2006. 104 p.
[10] Pukharenko Iu.V., Norin V.A. Metrologiia, standartizatsiia i sertifikatsiia [Metrology, standardization and certification]. Moscow, Lan' publ., 2016. 308 p.
Статья поступила в редакцию 11.05.2016
Информация об авторах
МАКАРОВ Валерий Анатольевич (Москва) — доктор технических наук, профессор кафедры «Интеллектуальные технологии и системы». Московский технологический университет (119454, Москва, Российская Федерация, Проспект Вернадского, д. 78, e-mail: [email protected]).
АСАДОВА Юлия Сергеевна (Москва) — аспирант кафедры «Интеллектуальные технологии и системы». Московский технологический университет (119454, Москва, Российская Федерация, Проспект Вернадского, д. 78, e-mail: [email protected]).
ТЮТЯЕВ Роман Евгеньевич (Москва) — руководитель направления по проектам электроэнергетической отрасли. Группа Компаний «Русский Свет» (111123, Москва, Российская Федерация, шоссе Энтузиастов, д. 56, стр. 8, e-mail: [email protected]).
Information about the authors
MAKAROV Valeriy Anatolievich (Moscow) — Doctor of Science (Eng.), Professor, Intelligent Technology and System Department. Moscow Technological University (119454, Moscow, Russian Federation, Vernadskiy Ave, Bldg. 78, e-mail: [email protected]).
ASADOVA Yulia Sergeevna (Moscow) — Postgraduate, Intelligent Technology and System Department. Moscow Technological University (119454, Moscow, Russian Federation, Vernadskiy Ave, Bldg. 78, e-mail: [email protected]).
TYUTYAEV Roman Evgenievich (Moscow) — Manager, Electric Power Industry Projects. Russkiy Svet Group of Companies (111123, Moscow, Russian Federation, Shosse Entuzi-astov, Bldg. 56, Block 8, e-mail: [email protected]).
B.M. Ачильдиев, Ю.к. Грузевич, B.A. Солдатенков
Информационные измерительные и оптико-электронные системы на основе микро-и наномеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения
В Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана вышла в свет монография В.М. Ачильдиева, Ю.К. Грузевича, В.А. Солдатенкова «Информационные измерительные и оптико-электронные системы на основе микро- и наномеханических датчиков
угловой скорости и линейного ускорения»
Рассмотрены основные физические принципы работы и особенности функционирования гироскопов различных видов. Исследованы микромеханические гироскопы и акселерометры с рамочной и консольной конструкциями чувствительного элемента с емкостными и автоэлектронными преобразователями и наноэлектромеха-нические измерительные преобразователи для измерения тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и террагерцовой областях спектра. Предложены способы изготовления и локальной инициализации вискера по переменному току после формирования механической структуры чувствительного элемента. Описан синтез регуляторов методом модального управления и идентификации коэффициентов чувствительности к температуре и напряжению питания. Приведены примеры схем построения, моделирования и испытаний систем управления и навигации летательных микроаппаратов на основе бесплатформенных инерциальных блоков, различных информационно-измерительных средств с использованием наклономеров, оптико-электронных устройств наблюдения с определением координат удаленных объектов и нашлемных систем ориентации.
Для студентов, аспирантов, инженеров и научных работников.
По вопросам приобретения обращайтесь:
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. Теп.: +7 499 263-60-45, факс: +7 499 261-45-97; [email protected]; www.baumanpress.ru
