一种差压式气密性检测方案及其误差分析

胡牡香， 曾灿灿， 陈静

（1.苏州中材建设有限公司，江苏 苏州 215000；2.西南科技大学，四川 绵阳621000）

0 引言

目前，在制药、医疗器械、电气、汽车等行业内，都会用气密性检测仪对瓶、罐、管等进行气密性检测[1]，常见的检测方法有冒泡法、声发射式检测法、差压式检测法等[2-3]其中差压式气密性检测方法是常用的检测方法。差压式气密性检系统在检测过程中并不能直接检测到容器内气体泄漏率，而是通过其他测量参数间接测量容器内气体泄漏率。任何测量结果中都会包含一定的测量误差，所以有必要正确分析和综合各个误差因子对测量结果的影响。

1 差压式气密性检测法

1.1 差压式气密性检测原理

差压式气密性检测原理是以理想气体状态方程为基础，通过检测容器内部的压力变化来计算出气体的泄漏率。一定容积的容器在泄漏一定量的气体后，容器内部的压力相对于之前会有一个压降，因此，可以通过测量一定时间内容器内部的压降值来计算出容器内部气体的实际泄漏率。其工作原理如图1所示。

图1 差压式检测原理

差压式气密性检测分为4个过程[4]：1）初始化过程。在此过程中，工人对检测参数进行相应的设置，设置完成后，系统进行开机检查，包括气源压力、外部大气压等，并使气缸和阀门复位。2）充气过程。当气源压力达到测试压力后，打开进气阀，关闭排气阀，向标准容器和待测件容器内通入气体，直至两侧容器内的气体压力达到检测所需要的压力，此过程才结束。3）稳压过程。此时进气阀与排气阀均关闭，两个容器经过短时间保压后，差压传感器采集压力差数据，经过模数转换，系统自动计算出泄漏量的大小。4）排气过程。此时进气阀关闭，排气阀打开，将容器内的气体排出，完成整个检测过程。

1.2 气体泄漏率的计算公式

在理想气体状态下，容器内部气体泄漏前后存在一定的数值关系为

式中:P0为大气压，Pa；PT为稳压阶段储气瓶内的压力，Pa；VL为大气压下泄漏气体体积，mL；ΔV为稳压阶段储气瓶内气体泄漏体积，mL。

通过式（1）只能求得容器内部泄漏气体的体积，无法直接测量得到容器内部气体泄率，但可以通过式（2）计算出容器内部气体的压强变化，通过传感器能直接测量容器内部的压力，从而可以计算出被测物体内部泄漏率的大小。

式中：V为容器体积，mL；ΔP为容器内气体压力变化量，Pa。

整理式（1）和式（2）后得到：

则被测物体的内部气体泄漏率QL可表示为

式中，t为稳压时间，s。

利用理想气体状态方程求解气体泄漏量的过程如图2所示。

图2 气体泄漏过程

2 误差分析

根据误差的特点和性质，误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差[5]。粗大误差可通过直观判断后及时剔除；随机误差可通过多次测量后求取平均值的方法得到减小；系统误差可通过修正值法得到减小。

2.1 系统误差的计算

系统气体泄漏率的传递公式已由式（4）表示出，即QL=f（ΔP;V;P0;t），根据误差的独立作用原理，现对各测量值求偏导：

根据系统误差理论，可知函数的系统误差ΔQL为

式中：Δ（ΔP）为差压计的系统误差，Pa；ΔV为直接测量容器容积的系统误差，mL；ΔP0为直接测量大气压的系统误差，Pa；Δt为系统的延时误差为各个直接测量值的误差传递系数。

进行系统误差修正后的容器内气体泄漏率的真实值为

2.2 误差分配

上一小节介绍了系统误差的计算，但在实际工作中，为了保证测量精度，往往会先给定测量结果的允许误差，然后再合理地分配各个单项误差。现假定气体泄漏量的相对误差为ω，则根据式（4）可知气体泄漏量的绝对误差δQL为

已知测量项有4项，即n=4。按照等作用分配原则分配误差，则可知直接测量值ΔP、V、P0和t的极限误差分别为：

根据等作用原则分配误差可能会出现分配不合理的情况，需要根据实际情况，选用精度合适的测量工具，以保证测量精度。若选用的测量工具的极限误差分别为±δΔP′、±δV′、±δP0′和±δt′，则根据这四项直接测量参数得到的气体泄漏率的极限误差为

3 结论

通过式（9）可知，在理想气体状态条件下，影响QL测量精度的因素分别为：1）差压计的测量精度；2）容器容积的测量精度；3）大气压力的测量精度；4）稳压阶段的延时精度。然而QL还可能会受到实际工作条件的影响，如：1）环境温度的变化，会造成气压的波动；2）电磁阀密封不好，会造成容器内的气体泄漏；3）气源压力波动，会造成容器内压力波动。

本文介绍的一种误差分配的方法，可以有效地解决容器气密性检测仪器的误差分配问题。正确认识误差的产生原因，既可以消除或减小误差，又可以在最经济的条件下，获得最高的测量精度。