胡牡香， 曾燦燦， 陳靜

（1.蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.西南科技大學(xué)，四川 綿陽621000）

0 引言

目前，在制藥、醫(yī)療器械、電氣、汽車等行業(yè)內(nèi)，都會(huì)用氣密性檢測(cè)儀對(duì)瓶、罐、管等進(jìn)行氣密性檢測(cè)[1]，常見的檢測(cè)方法有冒泡法、聲發(fā)射式檢測(cè)法、差壓式檢測(cè)法等[2-3]其中差壓式氣密性檢測(cè)方法是常用的檢測(cè)方法。差壓式氣密性檢系統(tǒng)在檢測(cè)過程中并不能直接檢測(cè)到容器內(nèi)氣體泄漏率，而是通過其他測(cè)量參數(shù)間接測(cè)量容器內(nèi)氣體泄漏率。任何測(cè)量結(jié)果中都會(huì)包含一定的測(cè)量誤差，所以有必要正確分析和綜合各個(gè)誤差因子對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1 差壓式氣密性檢測(cè)法

1.1 差壓式氣密性檢測(cè)原理

差壓式氣密性檢測(cè)原理是以理想氣體狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，通過檢測(cè)容器內(nèi)部的壓力變化來計(jì)算出氣體的泄漏率。一定容積的容器在泄漏一定量的氣體后，容器內(nèi)部的壓力相對(duì)于之前會(huì)有一個(gè)壓降，因此，可以通過測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)容器內(nèi)部的壓降值來計(jì)算出容器內(nèi)部氣體的實(shí)際泄漏率。其工作原理如圖1所示。

圖1 差壓式檢測(cè)原理

差壓式氣密性檢測(cè)分為4個(gè)過程[4]：1）初始化過程。在此過程中，工人對(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，設(shè)置完成后，系統(tǒng)進(jìn)行開機(jī)檢查，包括氣源壓力、外部大氣壓等，并使氣缸和閥門復(fù)位。2）充氣過程。當(dāng)氣源壓力達(dá)到測(cè)試壓力后，打開進(jìn)氣閥，關(guān)閉排氣閥，向標(biāo)準(zhǔn)容器和待測(cè)件容器內(nèi)通入氣體，直至兩側(cè)容器內(nèi)的氣體壓力達(dá)到檢測(cè)所需要的壓力，此過程才結(jié)束。3）穩(wěn)壓過程。此時(shí)進(jìn)氣閥與排氣閥均關(guān)閉，兩個(gè)容器經(jīng)過短時(shí)間保壓后，差壓傳感器采集壓力差數(shù)據(jù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出泄漏量的大小。4）排氣過程。此時(shí)進(jìn)氣閥關(guān)閉，排氣閥打開，將容器內(nèi)的氣體排出，完成整個(gè)檢測(cè)過程。

1.2 氣體泄漏率的計(jì)算公式

在理想氣體狀態(tài)下，容器內(nèi)部氣體泄漏前后存在一定的數(shù)值關(guān)系為

式中:P0為大氣壓，Pa；PT為穩(wěn)壓階段儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的壓力，Pa；VL為大氣壓下泄漏氣體體積，mL；ΔV為穩(wěn)壓階段儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體泄漏體積，mL。

通過式（1）只能求得容器內(nèi)部泄漏氣體的體積，無法直接測(cè)量得到容器內(nèi)部氣體泄率，但可以通過式（2）計(jì)算出容器內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)變化，通過傳感器能直接測(cè)量容器內(nèi)部的壓力，從而可以計(jì)算出被測(cè)物體內(nèi)部泄漏率的大小。

式中：V為容器體積，mL；ΔP為容器內(nèi)氣體壓力變化量，Pa。

整理式（1）和式（2）后得到：

則被測(cè)物體的內(nèi)部氣體泄漏率QL可表示為

式中，t為穩(wěn)壓時(shí)間，s。

利用理想氣體狀態(tài)方程求解氣體泄漏量的過程如圖2所示。

圖2 氣體泄漏過程

2 誤差分析

根據(jù)誤差的特點(diǎn)和性質(zhì)，誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差[5]。粗大誤差可通過直觀判斷后及時(shí)剔除；隨機(jī)誤差可通過多次測(cè)量后求取平均值的方法得到減??；系統(tǒng)誤差可通過修正值法得到減小。

2.1 系統(tǒng)誤差的計(jì)算

系統(tǒng)氣體泄漏率的傳遞公式已由式（4）表示出，即QL=f（ΔP;V;P0;t），根據(jù)誤差的獨(dú)立作用原理，現(xiàn)對(duì)各測(cè)量值求偏導(dǎo)：

根據(jù)系統(tǒng)誤差理論，可知函數(shù)的系統(tǒng)誤差ΔQL為

式中：Δ（ΔP）為差壓計(jì)的系統(tǒng)誤差，Pa；ΔV為直接測(cè)量容器容積的系統(tǒng)誤差，mL；ΔP0為直接測(cè)量大氣壓的系統(tǒng)誤差，Pa；Δt為系統(tǒng)的延時(shí)誤差為各個(gè)直接測(cè)量值的誤差傳遞系數(shù)。

進(jìn)行系統(tǒng)誤差修正后的容器內(nèi)氣體泄漏率的真實(shí)值為

2.2 誤差分配

上一小節(jié)介紹了系統(tǒng)誤差的計(jì)算，但在實(shí)際工作中，為了保證測(cè)量精度，往往會(huì)先給定測(cè)量結(jié)果的允許誤差，然后再合理地分配各個(gè)單項(xiàng)誤差。現(xiàn)假定氣體泄漏量的相對(duì)誤差為ω，則根據(jù)式（4）可知?dú)怏w泄漏量的絕對(duì)誤差δQL為

已知測(cè)量項(xiàng)有4項(xiàng)，即n=4。按照等作用分配原則分配誤差，則可知直接測(cè)量值ΔP、V、P0和t的極限誤差分別為：

根據(jù)等作用原則分配誤差可能會(huì)出現(xiàn)分配不合理的情況，需要根據(jù)實(shí)際情況，選用精度合適的測(cè)量工具，以保證測(cè)量精度。若選用的測(cè)量工具的極限誤差分別為±δΔP′、±δV′、±δP0′和±δt′，則根據(jù)這四項(xiàng)直接測(cè)量參數(shù)得到的氣體泄漏率的極限誤差為

3 結(jié)論

通過式（9）可知，在理想氣體狀態(tài)條件下，影響QL測(cè)量精度的因素分別為：1）差壓計(jì)的測(cè)量精度；2）容器容積的測(cè)量精度；3）大氣壓力的測(cè)量精度；4）穩(wěn)壓階段的延時(shí)精度。然而QL還可能會(huì)受到實(shí)際工作條件的影響，如：1）環(huán)境溫度的變化，會(huì)造成氣壓的波動(dòng)；2）電磁閥密封不好，會(huì)造成容器內(nèi)的氣體泄漏；3）氣源壓力波動(dòng)，會(huì)造成容器內(nèi)壓力波動(dòng)。

本文介紹的一種誤差分配的方法，可以有效地解決容器氣密性檢測(cè)儀器的誤差分配問題。正確認(rèn)識(shí)誤差的產(chǎn)生原因，既可以消除或減小誤差，又可以在最經(jīng)濟(jì)的條件下，獲得最高的測(cè)量精度。