устройство для определения инертного газа в газовой смеси и способ определения инертного газа в газовой смеси

Формула изобретения

1. Устройство для определения инертного газа в газовой смеси, включающее в себя регулируемый вакуумный вентиль, вакуумный адсорбционный насос, обладающий скоростью откачки определяемого инертного газа, пониженной по отношению к другим составляющим газовой смеси, вакуумную магистраль, соединяющую выход регулируемого вакуумного вентиля со входом вакуумного адсорбционного насоса, и масс-спектрометр, вход которого соединен с выходом вакуумного адсорбционного насоса, отличающееся тем, что в вакуумную магистраль дополнительно введен вакуумный отсечной вентиль на входе вакуумного адсорбционного насоса, кроме того, в устройство введены дополнительный вакуумный насос, обладающий скоростью откачки газовой смеси не ниже скорости откачки газовой смеси вакуумным адсорбционным насосом, и вакуумный отсечной вентиль на входе дополнительного вакуумного насоса, при этом вход вакуумного отсечного вентиля на входе дополнительного вакуумного насоса подключен к вакуумной магистрали, соединяющей выход регулируемого вакуумного вентиля и вход вакуумного отсечного вентиля на входе вакуумного адсорбционного насоса.

2. Способ определения инертного газа в газовой смеси, заключающийся в том, что создают поток газовой смеси на вход вакуумного адсорбционного насоса, имеющего вход и выход и обладающего скоростью откачки определяемого инертного газа, пониженной по отношению к другим составляющим газовой смеси, и определяют парциальное давление инертного газа на выходе вакуумного адсорбционного насоса, отличающийся тем, что после окончания измерения концентрации инертного газа в газовой смеси закрывают вход вакуумного адсорбционного насоса, производят откачку созданного потока газовой смеси при помощи дополнительного вакуумного насоса, обладающего скоростью откачки газовой смеси не ниже скорости откачки газовой смеси вакуумным адсорбционным насосом, а при очередном измерении концентрации инертного газа в газовой смеси закрывают вход дополнительного вакуумного насоса, после чего открывают вход вакуумного адсорбционного насоса.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к области средств измерения газового состава, а более конкретно к способам и средствам испытаний изделий на герметичность с использованием инертных газов.

Известны устройства-аналоги для испытаний изделий на герметичность с использованием инертных газов, включающие в себя масс-спектрометр (например, гелиевый масс-спектрометрический течеискатель), регулируемый вакуумный вентиль (например, щуп гелиевого масс-спектрометрического течеискателя) и вакуумную магистраль (например, трубопровод щупа), соединяющую выход регулируемого вакуумного вентиля со входом масс-спектрометра.

Известны способы-аналоги испытаний изделий на герметичность с использованием инертных газов, осуществляемые с использованием описанных выше устройств для испытаний изделий на герметичность. По данным способам настраивают регулируемый вакуумный вентиль и создают поток газа (например, воздуха из атмосферы) в масс-спектрометр. Подают на вход регулируемого вакуумного вентиля газовую смесь, содержащую инертный газ (например, гелий). По показаниям масс-спектрометра измеряют концентрацию инертного газа в газовой смеси. По повышенной концентрации инертного газа в газовой смеси определяют места утечки инертного газа из изделия, содержащего инертный газ под повышенным давлением (способ испытаний изделий на локальную негерметичность по методу щупа). Также по повышенной концентрации инертного газа в газовой смеси определяют величину суммарной негерметичности изделия в том случае, если заправленное до избыточного давления изделие окружено замкнутой оболочкой, в которой накапливается инертный газ, вытекший из изделия (способ испытаний изделий на суммарную негерметичность по методу накопления при атмосферном давлении, см., например, Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М., «Мир», 1964, с.319-321).

К недостаткам аналогичных устройства и способа можно отнести то, что их чувствительность может оказаться недостаточной в тех случаях, когда необходима регистрация исключительно малых локальных утечек и суммарных негерметичностей.

Известно также устройство для испытаний изделий на герметичность с использованием инертных газов, включающее в себя регулируемый вакуумный вентиль (например, щуп гелиевого масс-спектрометрического течеискателя), вакуумный адсорбционный насос, обладающий скоростью откачки определяемого инертного газа, пониженной по отношению к другим составляющим газовой смеси, вакуумную магистраль (например, трубопровод щупа), соединяющую выход регулируемого вакуумного вентиля со входом вакуумного адсорбционного насоса, и масс-спектрометр (например, гелиевый масс-спектрометрический течеискатель), вход которого соединен с выходом вакуумного адсорбционного насоса (Л.Е.Левина, Л.Д.Муравьева, Б.А.Надолинный и В.И.Чуприн. Способ испытания изделий на герметичность. А.с. СССР №330368, G01M 3/04).

Известен способ испытаний изделий на герметичность с использованием инертных газов, осуществляемый с использованием описанного выше устройства. По данному способу настраивают регулируемый вакуумный вентиль и создают поток газа (например, воздуха из атмосферы) в вакуумный адсорбционный насос; подают на вход регулируемого вакуумного вентиля газовую смесь, содержащую инертный газ (например, гелий); по показаниям масс-спектрометра, вход которого соединен с выходом вакуумного адсорбционного насоса, измеряют концентрацию инертного газа в газовой смеси. Адсорбентом в вакуумном адсорбционном насосе могут служить активированные угли или цеолиты различных типов, охлаждаемые жидким азотом. В этом случае скорости откачки таким вакуумным адсорбционным насосом для азота, кислорода, паров воды, с одной стороны, и гелия, с другой стороны, отличаются на несколько порядков, в результате чего практически все компоненты атмосферного воздуха, за исключением гелия, будут поглощаться адсорбентом насоса, а на выходе насоса будет создаваться повышенное парциальное давление гелия. За счет этого будет значительно повышена чувствительность испытаний на локальную и суммарную герметичность.

Данные устройство и способ определения инертного газа в газовой смеси приняты авторами за прототипы.

Недостатком прототипов является то, что устройство-прототип позволяет осуществлять испытания только в непрерывном режиме, т.е., при непрерывной подаче газовой смеси на вход регулируемого вакуумного вентиля. На практике часто возникает необходимость в проведении длительных (до нескольких десятков часов) испытаний на суммарную герметичность, необходимых для определения малых утечек в больших объемах накопления. При этих длительных испытаниях измерение концентрации инертного газа в газовой смеси не обязательно должно быть непрерывным, а может осуществляться, например, в течение относительно малых промежутков (около 5-10 мин), разделенных довольно длительными периодами (простоя, ожидания следующего измерения) - до 1 ч.

При значительной продолжительности непрерывной подачи газовой смеси может возникнуть ситуация, когда, начиная с определенного момента времени, адсорбционная способность насоса будет исчерпана. С этого момента времени проведение измерения концентрации инертного газа в газовой смеси с повышенной чувствительностью станет невозможным, т.е. дальнейшее проведение испытаний окажется невозможным, и эксплуатационный цикл устройства завершится - возникнет необходимость в восстановлении адсорбционной способности насоса.

Задачей изобретения является увеличение длительности непрерывного эксплуатационного цикла без его прерывания для восстановления адсорбционной способности вакуумного адсорбционного насоса.

Задача решается тем, что в устройство, включающее в себя регулируемый вакуумный вентиль, вакуумный адсорбционный насос, обладающий скоростью откачки определяемого инертного газа, пониженной по отношению к другим составляющим газовой смеси, вакуумную магистраль, соединяющую выход регулируемого вакуумного вентиля со входом вакуумного адсорбционного насоса, и масс-спектрометр, вход которого соединен с выходом вакуумного адсорбционного насоса, дополнительно вводят в вакуумную магистраль вакуумный отсечной вентиль на входе вакуумного адсорбционного насоса, кроме того, в устройство вводят дополнительный вакуумный насос, обладающий скоростью откачки газовой смеси не ниже скорости откачки газовой смеси вакуумным адсорбционным насосом, и вакуумный отсечной вентиль на входе дополнительного вакуумного насоса, при этом вход вакуумного отсечного вентиля на входе дополнительного вакуумного насоса подключают к вакуумной магистрали, соединяющей выход регулируемого вакуумного вентиля и вход вакуумного отсечного вентиля на входе вакуумного адсорбционного насоса.

Задача решается также тем, что в способе определения инертного газа в газовой смеси, заключающемся в том, что создают поток газовой смеси на вход вакуумного адсорбционного насоса, имеющего вход и выход и обладающего скоростью откачки определяемого инертного газа, пониженной по отношению к другим составляющим газовой смеси, и определяют парциальное давление инертного газа на выходе вакуумного адсорбционного насоса, дополнительно производят следующие действия: после окончания измерения концентрации инертного газа в газовой смеси закрывают вход вакуумного адсорбционного насоса, производят откачку созданного потока газовой смеси при помощи дополнительного вакуумного насоса, обладающего скоростью откачки газовой смеси не ниже скорости откачки газовой смеси вакуумным адсорбционным насосом, а при очередном измерении концентрации инертного газа в газовой смеси закрывают вход дополнительного вакуумного насоса, после чего открывают вход вакуумного адсорбционного насоса.

Принципиальная схема заявляемого устройства представлена на чертеже.

Устройство включает в себя регулируемый вакуумный вентиль 1 (щуп гелиевого масс-спектрометрического течеискателя), вакуумный адсорбционный насос 2, обладающий скоростью откачки определяемого инертного газа, пониженной по отношению к другим составляющим газовой смеси. Вакуумная магистраль 3 соединяет выход регулируемого вакуумного вентиля 1 со входом вакуумного адсорбционного насоса 2. К выходу вакуумного адсорбционного насоса 2 подключен вход масс-спектрометра 4 (гелиевого масс-спектрометрического течеискателя). На входе вакуумного адсорбционного насоса 2 установлен вакуумный отсечной вентиль 5. Дополнительный вакуумный насос 6, обладающий скоростью откачки газовой смеси не ниже скорости откачки газовой смеси вакуумным адсорбционным насосом 2, соединен через вакуумный отсечной вентиль 7 с вакуумной магистралью 3.

На вход регулируемого вакуумного вентиля 1 подают воздух из объема накопления 8, в котором находится испытываемое изделие 9, заправленное до избыточного давления смесью, содержащей инертный газ. В воздухе из объема накопления может присутствовать повышенная концентрация инертного газа, что будет являться свидетельством негерметичности испытываемого изделия. Газовый поток поступает с выхода регулируемого вакуумного вентиля 1 по вакуумной магистрали 3 через вакуумный отсечной вентиль 5 в вакуумный адсорбционный насос 2, в котором поглощаются практически все компоненты атмосферного воздуха, за исключением гелия. Повышенное парциальное давление гелия регистрируется масс-спектрометром (гелиевым масс-спектрометрическим течеискателем) 4.

Однократное измерение концентрации гелия в объеме накопления может быть проведено при помощи данного устройства за относительно короткое время - до 10 мин. После этого вакуумный отсечной вентиль 5 закрывают и открывают вакуумный отсечной вентиль 7, в результате чего газовый поток начинает откачиваться дополнительным вакуумным насосом 6, например механическим пластинчато-роторным насосом. Если производительность насоса выбрана соответствующим образом, т.е. скорость откачки газовой смеси дополнительным вакуумным насосом 6 больше или равна скорости откачки газовой смеси вакуумным адсорбционным насосом 2, то давление в вакуумной магистрали 3 не будет меняться значительным образом при переключении с вакуумного адсорбционного насоса 2 на дополнительный вакуумный насос 6 и обратном переключении с дополнительного вакуумного насоса 6 на вакуумный адсорбционный насос 2.

При закрытом вакуумном отсечном вентиле 5 на вход вакуумного адсорбционного насоса 2 не будет поступать газовый поток, в результате этого не будут расходоваться адсорбционные возможности вакуумного адсорбционного насоса 2. При необходимости проведения следующего измерения концентрации гелия в объеме накопления закрывают вакуумный отсечной вентиль 7 и открывают вакуумный отсечной вентиль 5. В результате газовый поток из вакуумной магистрали 3 вновь начинает поступать в вакуумный адсорбционный насос 2, а масс-спектрометр (гелиевый масс-спектрометрический течеискатель) 4 начинает измерять парциальное давление гелия, по которому судят о концентрации гелия в объеме накопления. За счет надлежащего выбора производительности дополнительного вакуумного насоса 6 разрежение в вакуумной магистрали 3 на момент открытия вакуумного отсечного вентиля 5 практически не будут отличаться от разрежения на момент произведенного ранее закрытия вакуумного отсечного вентиля 5. Это позволит избежать длительных переходных процессов при измерении парциального давления гелия масс-спектрометром (гелиевым масс-спектрометрическим течеискателем) 4.

Следует отметить, что простое отключение вакуумного адсорбционного насоса 2 без подключения дополнительного вакуумного насоса 6 приведет к натеканию газовой смеси через регулируемый вакуумный вентиль 1 в объем вакуумной магистрали 3. При значительной длительности временного промежутка между измерениями давление в вакуумной магистрали 3 выровняется с атмосферным давлением. При последующем открытии вакуумного отсечного вентиля 5 вакуумный адсорбционный насос 2 должен будет откачать все количество газовой смеси из объема вакуумной магистрали 3 и обеспечить восстановление давления в камере масс-спектрометра 4 до его установившегося значения при предыдущем измерении. Этот переходный процесс может оказаться достаточно длительным и сравнимым по продолжительности с собственно измерением концентрации инертного газа. Кроме того, при откачке газовой смеси из объема вакуумной магистрали 3 будет непроизводительно израсходована часть адсорбционных возможностей вакуумного адсорбционного насоса 2. Таким образом, отключение и последующее подключение вакуумного адсорбционного насоса 2 без подключения и последующего отключения дополнительного вакуумного насоса 6 не позволит в полной мере достигнуть поставленной цели увеличения длительности непрерывного эксплуатационного цикла без его прерывания для восстановления адсорбционной способности вакуумного адсорбционного насоса.

Реализация предлагаемого устройства позволит достигнуть значительного увеличения длительности непрерывного эксплуатационного цикла без его прерывания для восстановления адсорбционной способности вакуумного адсорбционного насоса, а именно увеличения в количество раз, равное отношению длительности измерения концентрации инертного газа в сумме с длительностью промежутка между измерениями к длительности измерения концентрации инертного газа. Например, если длительность измерения концентрации инертного газа составляет 10 мин, а длительность промежутка между измерениями составляет 50 мин, то указанное отношение будет равно 6. Это, в свою очередь, означает, что, если при непрерывной подаче газовой смеси на вход щупа адсорбционные возможности насоса будут израсходованы, например, через 4 ч, то при использовании предлагаемого устройства они будут израсходованы через 6·4=24 ч. Такое увеличение длительности непрерывного эксплуатационного цикла без его прерывания для восстановления адсорбционной способности вакуумного адсорбционного насоса позволит проводить длительные испытания на герметичность, не прерывая их многократно для восстановления характеристик вакуумного адсорбционного насоса устройства.

Внедрение предлагаемых устройства и способа в области испытаний на герметичность изделий ракетно-космической техники позволит снизить трудозатраты на проведение испытаний за счет отказа от прерывания испытаний для восстановления характеристик вакуумного адсорбционного насоса устройства и тем самым повысить экономическую эффективность наземной подготовки испытываемых изделий.