全自动正压漏孔校准装置

刘贝贝 刘燚 蒋厚庸 周宇仁 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

检漏分为真空检漏和正压检漏，真空检漏是指把产品内部抽成真空状态，在产品外部施加示漏气体以检查产品漏气率的方法；正压检漏是指在产品内部充入高于一个大气压的示漏气体以检查产品漏气率的方法[1]。为保证检漏的准确性，需保证检漏状态与工作状态一致。例如航天产品在使用时，多数是充压状态，所以也要求在充压状态下进行检漏，即需要采用正压检漏方法。近年来，随着工业的发展，正压检漏被越来越广泛地应用于航空航天、核工业、汽车零部件、制冷、机械等行业[2-4]。正压漏孔是正压检漏时提供参考漏率的标准，用来对正压检漏仪进行校准。正压漏孔的漏率值直接关系到正压检漏的准确性，所以正压漏孔漏率值的准确校准至关重要。

正压漏孔校准装置工作原理一般分为定容法和恒压法[5-7]。上海市计量测试技术研究院在2004年建立了一套改进型的正压漏孔校准装置，可分别使用恒压法和定容法进行校准[8-10]。使用定容法时，考虑到薄膜规形变量，需通过在校准室连接一枚活塞，先测量推进活塞引起的压差等效于从漏孔流入的气体量，计算出体积系数k，再测量由被测漏孔流入校准室引起的压力p随时间t的变化率，从而得出被测漏孔的漏率。但是，该方法在实际操作时存在一些问题：1）被测漏孔接入校准室时也会引入部分体积，而被测正压漏孔形状各异，引入的体积也大不相同，导致不同被测漏孔的体积系数不一样；2）该方法需在温度恒定的时候才能成立，而且正压漏孔内部气体分子多，漏率受温度影响较大，所以在实际对漏孔进行校准时需保证温度恒定。针对以上问题，本文所述实验研制了一套全自动正压漏孔校准装置，可完成对漏率范围为1×10-7～1×10-4Pa·m3/s的不同形状漏孔的全自动校准，有效提高工作效率和测量准确度。

1 校准装置

1.1 装置结构

如图1所示，装置主要由差压薄膜规、容栅尺、活塞、半导体制冷恒温箱、高精密气动面密封阀及真空管道等构成。其中，差压薄膜规、测试阀与截止阀之间的管道组成校准室，差压薄膜规、放空阀与截止阀之间的管道组成参考室。差压薄膜规采用MKS的698A系列，量程为1.332 kPa，测量准确度为示值的0.05%；容栅尺测量范围为0～25 mm，扩展不确定度为1 μm；活塞外径为1.986 mm，扩展不确定度为1 μm；半导体制冷恒温箱温控分辨力为0.01 ℃，大气压由RMP4数字压力计测得，测量准确度为0.01%。

图1 正压漏孔校准装置工作原理

1.2 体积补偿方法

被测正压漏孔漏率可由式（1）和（2）得到：

式中：k——体积系数，m3；

A——活塞截面积，m2；

x——活塞移动距离，m；

p1、p2——活塞移动前、后薄膜计示值，Pa；

p0——大气压力值，Pa；

Q——被测漏孔漏率，Pa·m3/s；

dt——检测时间，s；

dp——检测时间dt内的压力变化，Pa

为了准确测量每一个漏孔的漏率，漏孔在进行校准前需要先测量体积系数。本装置采用气动控制活塞和容栅尺测量系统相结合的方法实现活塞推进体积的连续、自动、准确测量。将活塞与容栅尺相连接，活塞由气动控制推进一定的距离，带动容栅尺移动，容栅尺自动测量移动位移。

由于在测量活塞推进体积以及产生的压差时，漏孔也会漏入校准室部分体积，导致测得的压差是活塞推进和漏孔漏入气体体积共同引起的，所以要将漏孔漏入的气体体积影响量消除。可采用以下两种消除方法：1）将被测漏孔通过测试阀与校准室相连，读取差压薄膜计示值p1。气动控制活塞推进一定的距离ΔL，读取差压薄膜计示值p2，则压力变化量Δp1=p2-p1。将活塞按照推进时的速度退回原位置，读取差压薄膜计示值p3，Δp2=p3-p1，则由活塞推进体积引起的压力变化量Δp= Δp1-Δp2/2。重复测量三次，取三次测量平均值。2）将被测漏孔通过测试阀与校准室相连，读取差压薄膜计示值p1，气动控制活塞推进一定的距离ΔL，读取差压薄膜计示值p2以及推进时间Δt。保持活塞位置不变，继续等待时间Δt，记录差压薄膜计示值p3，则由活塞推进气体体积引起的压力变化量Δp=p2-p1-p3。以上两种方法均可以消除漏孔漏入校准室引起的体积偏差。

1.3 温度补偿方法

漏孔漏率受温度影响较大，在校准过程中保持温度恒定是影响校准准确度的关键因素之一。如图2所示，可将装置放置在一个恒温箱内，恒温箱采用半导体制冷技术实现内部的控温，分辨力达0.01 ℃。半导体制冷技术作为一种新型的温度调节技术，结构简单、可靠性高、寿命长、体积小、启动快、控制灵活，接通电源，即可迅速制冷，适用于本装置恒温箱的温度保持。

图2 半导体恒温系统

由于整个校准装置是一个关于差压薄膜规和截止阀对称的系统，所以半导体制冷模块可安装在箱体内部顶端中心位置，设置恒温系统温度为（23±5）℃范围内并接近当前室温的一个数值，减少制冷或加热时间。壳体可采用不锈钢制作，隔热层采用聚乙烯发泡棉。

1.4 自动化控制与处理系统

为减少检测过程中的人为误差，提高检测效率和准确度，设计了一套全自动控制与处理系统。系统采用Labview程序进行设计，可自动完成阀门开启和关闭，自动采集活塞推进体积、差压薄膜规示值，自动进行体积系数k值的计算，自动进行漏率值的计算及保存，保障测量结果的准确。设计界面如图3所示，接入被测漏孔，选择定容法，输入大气压力值，选择采样时间，点击Start，则可实现漏率的自动校准。

图3 程序处理界面

2 装置测量不确定度评定

本装置测量模型为

各分量的不确定度如表1所示，各分量之间相互独立，合成标准不确定为

表1 不确定度分量汇总表

取包含因子k= 2，扩展不确定度为

上述扩展不确定度是针对装置本身的测量能力，不包括被测正压漏孔引入的不确定度，也可以理解为最佳测量能力。

3 结语

本文建立了一套“基于活塞体积补偿、温度补偿”的全自动正压漏孔校准装置，装置采用气动控制活塞和容栅尺测量系统相结合的办法实现推进体积的连续、自动、准确测量；采用半导体恒温技术实现装置的恒温，减少温度对测量的影响；采用Labview程序设计了一套全自动化控制与处理系统，可实现漏率的自动校准。该装置可完成对1×10-7～1×10-5Pa·m3/s的正压漏孔漏率的量值溯源，装置不确定度为Urel= 6%（k= 2）。该装置使用十分方便，检测效率高，易于推广。