劉貝貝 劉燚 蔣厚庸 周宇仁 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

檢漏分為真空檢漏和正壓檢漏，真空檢漏是指把產(chǎn)品內(nèi)部抽成真空狀態(tài)，在產(chǎn)品外部施加示漏氣體以檢查產(chǎn)品漏氣率的方法；正壓檢漏是指在產(chǎn)品內(nèi)部充入高于一個(gè)大氣壓的示漏氣體以檢查產(chǎn)品漏氣率的方法[1]。為保證檢漏的準(zhǔn)確性，需保證檢漏狀態(tài)與工作狀態(tài)一致。例如航天產(chǎn)品在使用時(shí)，多數(shù)是充壓狀態(tài)，所以也要求在充壓狀態(tài)下進(jìn)行檢漏，即需要采用正壓檢漏方法。近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，正壓檢漏被越來越廣泛地應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、汽車零部件、制冷、機(jī)械等行業(yè)[2-4]。正壓漏孔是正壓檢漏時(shí)提供參考漏率的標(biāo)準(zhǔn)，用來對(duì)正壓檢漏儀進(jìn)行校準(zhǔn)。正壓漏孔的漏率值直接關(guān)系到正壓檢漏的準(zhǔn)確性，所以正壓漏孔漏率值的準(zhǔn)確校準(zhǔn)至關(guān)重要。

正壓漏孔校準(zhǔn)裝置工作原理一般分為定容法和恒壓法[5-7]。上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院在2004年建立了一套改進(jìn)型的正壓漏孔校準(zhǔn)裝置，可分別使用恒壓法和定容法進(jìn)行校準(zhǔn)[8-10]。使用定容法時(shí)，考慮到薄膜規(guī)形變量，需通過在校準(zhǔn)室連接一枚活塞，先測(cè)量推進(jìn)活塞引起的壓差等效于從漏孔流入的氣體量，計(jì)算出體積系數(shù)k，再測(cè)量由被測(cè)漏孔流入校準(zhǔn)室引起的壓力p隨時(shí)間t的變化率，從而得出被測(cè)漏孔的漏率。但是，該方法在實(shí)際操作時(shí)存在一些問題：1）被測(cè)漏孔接入校準(zhǔn)室時(shí)也會(huì)引入部分體積，而被測(cè)正壓漏孔形狀各異，引入的體積也大不相同，導(dǎo)致不同被測(cè)漏孔的體積系數(shù)不一樣；2）該方法需在溫度恒定的時(shí)候才能成立，而且正壓漏孔內(nèi)部氣體分子多，漏率受溫度影響較大，所以在實(shí)際對(duì)漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)需保證溫度恒定。針對(duì)以上問題，本文所述實(shí)驗(yàn)研制了一套全自動(dòng)正壓漏孔校準(zhǔn)裝置，可完成對(duì)漏率范圍為1×10-7～1×10-4Pa·m3/s的不同形狀漏孔的全自動(dòng)校準(zhǔn)，有效提高工作效率和測(cè)量準(zhǔn)確度。

1 校準(zhǔn)裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，裝置主要由差壓薄膜規(guī)、容柵尺、活塞、半導(dǎo)體制冷恒溫箱、高精密氣動(dòng)面密封閥及真空管道等構(gòu)成。其中，差壓薄膜規(guī)、測(cè)試閥與截止閥之間的管道組成校準(zhǔn)室，差壓薄膜規(guī)、放空閥與截止閥之間的管道組成參考室。差壓薄膜規(guī)采用MKS的698A系列，量程為1.332 kPa，測(cè)量準(zhǔn)確度為示值的0.05%；容柵尺測(cè)量范圍為0～25 mm，擴(kuò)展不確定度為1 μm；活塞外徑為1.986 mm，擴(kuò)展不確定度為1 μm；半導(dǎo)體制冷恒溫箱溫控分辨力為0.01 ℃，大氣壓由RMP4數(shù)字壓力計(jì)測(cè)得，測(cè)量準(zhǔn)確度為0.01%。

圖1 正壓漏孔校準(zhǔn)裝置工作原理

1.2 體積補(bǔ)償方法

被測(cè)正壓漏孔漏率可由式（1）和（2）得到：

式中：k——體積系數(shù)，m3；

A——活塞截面積，m2；

x——活塞移動(dòng)距離，m；

p1、p2——活塞移動(dòng)前、后薄膜計(jì)示值，Pa；

p0——大氣壓力值，Pa；

Q——被測(cè)漏孔漏率，Pa·m3/s；

dt——檢測(cè)時(shí)間，s；

dp——檢測(cè)時(shí)間dt內(nèi)的壓力變化，Pa

為了準(zhǔn)確測(cè)量每一個(gè)漏孔的漏率，漏孔在進(jìn)行校準(zhǔn)前需要先測(cè)量體積系數(shù)。本裝置采用氣動(dòng)控制活塞和容柵尺測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)活塞推進(jìn)體積的連續(xù)、自動(dòng)、準(zhǔn)確測(cè)量。將活塞與容柵尺相連接，活塞由氣動(dòng)控制推進(jìn)一定的距離，帶動(dòng)容柵尺移動(dòng)，容柵尺自動(dòng)測(cè)量移動(dòng)位移。

由于在測(cè)量活塞推進(jìn)體積以及產(chǎn)生的壓差時(shí)，漏孔也會(huì)漏入校準(zhǔn)室部分體積，導(dǎo)致測(cè)得的壓差是活塞推進(jìn)和漏孔漏入氣體體積共同引起的，所以要將漏孔漏入的氣體體積影響量消除?？刹捎靡韵聝煞N消除方法：1）將被測(cè)漏孔通過測(cè)試閥與校準(zhǔn)室相連，讀取差壓薄膜計(jì)示值p1。氣動(dòng)控制活塞推進(jìn)一定的距離ΔL，讀取差壓薄膜計(jì)示值p2，則壓力變化量Δp1=p2-p1。將活塞按照推進(jìn)時(shí)的速度退回原位置，讀取差壓薄膜計(jì)示值p3，Δp2=p3-p1，則由活塞推進(jìn)體積引起的壓力變化量Δp= Δp1-Δp2/2。重復(fù)測(cè)量三次，取三次測(cè)量平均值。2）將被測(cè)漏孔通過測(cè)試閥與校準(zhǔn)室相連，讀取差壓薄膜計(jì)示值p1，氣動(dòng)控制活塞推進(jìn)一定的距離ΔL，讀取差壓薄膜計(jì)示值p2以及推進(jìn)時(shí)間Δt。保持活塞位置不變，繼續(xù)等待時(shí)間Δt，記錄差壓薄膜計(jì)示值p3，則由活塞推進(jìn)氣體體積引起的壓力變化量Δp=p2-p1-p3。以上兩種方法均可以消除漏孔漏入校準(zhǔn)室引起的體積偏差。

1.3 溫度補(bǔ)償方法

漏孔漏率受溫度影響較大，在校準(zhǔn)過程中保持溫度恒定是影響校準(zhǔn)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素之一。如圖2所示，可將裝置放置在一個(gè)恒溫箱內(nèi)，恒溫箱采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的控溫，分辨力達(dá)0.01 ℃。半導(dǎo)體制冷技術(shù)作為一種新型的溫度調(diào)節(jié)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、壽命長、體積小、啟動(dòng)快、控制靈活，接通電源，即可迅速制冷，適用于本裝置恒溫箱的溫度保持。

圖2 半導(dǎo)體恒溫系統(tǒng)

由于整個(gè)校準(zhǔn)裝置是一個(gè)關(guān)于差壓薄膜規(guī)和截止閥對(duì)稱的系統(tǒng)，所以半導(dǎo)體制冷模塊可安裝在箱體內(nèi)部頂端中心位置，設(shè)置恒溫系統(tǒng)溫度為（23±5）℃范圍內(nèi)并接近當(dāng)前室溫的一個(gè)數(shù)值，減少制冷或加熱時(shí)間。殼體可采用不銹鋼制作，隔熱層采用聚乙烯發(fā)泡棉。

1.4 自動(dòng)化控制與處理系統(tǒng)

為減少檢測(cè)過程中的人為誤差，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)控制與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Labview程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，可自動(dòng)完成閥門開啟和關(guān)閉，自動(dòng)采集活塞推進(jìn)體積、差壓薄膜規(guī)示值，自動(dòng)進(jìn)行體積系數(shù)k值的計(jì)算，自動(dòng)進(jìn)行漏率值的計(jì)算及保存，保障測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)界面如圖3所示，接入被測(cè)漏孔，選擇定容法，輸入大氣壓力值，選擇采樣時(shí)間，點(diǎn)擊Start，則可實(shí)現(xiàn)漏率的自動(dòng)校準(zhǔn)。

圖3 程序處理界面

2 裝置測(cè)量不確定度評(píng)定

本裝置測(cè)量模型為

各分量的不確定度如表1所示，各分量之間相互獨(dú)立，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定為

表1 不確定度分量匯總表

取包含因子k= 2，擴(kuò)展不確定度為

上述擴(kuò)展不確定度是針對(duì)裝置本身的測(cè)量能力，不包括被測(cè)正壓漏孔引入的不確定度，也可以理解為最佳測(cè)量能力。

3 結(jié)語

本文建立了一套“基于活塞體積補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償”的全自動(dòng)正壓漏孔校準(zhǔn)裝置，裝置采用氣動(dòng)控制活塞和容柵尺測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)推進(jìn)體積的連續(xù)、自動(dòng)、準(zhǔn)確測(cè)量；采用半導(dǎo)體恒溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝置的恒溫，減少溫度對(duì)測(cè)量的影響；采用Labview程序設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)化控制與處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)漏率的自動(dòng)校準(zhǔn)。該裝置可完成對(duì)1×10-7～1×10-5Pa·m3/s的正壓漏孔漏率的量值溯源，裝置不確定度為Urel= 6%（k= 2）。該裝置使用十分方便，檢測(cè)效率高，易于推廣。