8-812-740-66-02
8
-812-989-04-49
info@vactron.org

http-equiv="Content-Type" />

Физико-химические основы техники течеискания.

Физические представления о течении пробных газов. Течь как сквозной канал может иметь самую неопределенную геометрическую структуру, прогнозировать которую практически невозможно. Тем не менее задачи расчета потоков пробного газа через течи и определения чувствительности испытаний продолжают оставаться актуальными. В этой ситуации принимают идеализированные модели течей, используют ориентировочные расчетные соотношения, вводят многочисленные приближения.

Таблица 10.5
Зависимость длины свободного пробега молекул гелия и воздуха от давления

Физические представления о течении газа через сквозные дефекты базируются на работах ученых в области аэродинамики, механики сплошной среды, вакуумной техники, течеискания. Вид течения в каналах течей характеризуется безразмерным параметром, называемым числом Кнудсена (Кn). Этот параметр определяется как отношение средней длины свободного пробега молекул (λ0) к характерному размеру канала (а), по которому протекает газ: Кn=λ0/а.
При относительно больших давлениях газ ведет себя как сплошная среда (число Кнудсена мало, Кn£0,01) — течение вязкостное. При низких давлениях газа средняя длина свободного пробега молекул велика по сравнению с характерным размером канала и течение газа характеризуется столкновениями молекул со стенками течи. Такое течение газа называют молекулярным (Кn>1).
При переходе значения Кn через 0,01 не сразу наступает молекулярное течение. В диапазоне значений 0,01£Кn£0,1 еще можно пользоваться уравнениями движения сплошной среды, но приходится учитывать скачки скорости из температуры газа вблизи стенки (так называемое скольжение газа). При значениях 0,1<Кn<1 наблюдается переходный режим от течения со скольжением к свободно-молекулярному.
В табл. 10.5 в качестве примера приведены значения длин свободного пробега молекул гелия и воздуха при Т = 293 К. Расчет выполнен по формуле (10.34):
                                                     (10.24)
Для воздуха d0 = 3,75•10-10 м; для гелия d0 = 2,18•10-10 м.
Определим значения числа Кнудсена, пользуясь данными табл. 10.5 и задавшись некоторым производным размером течи. Примем в качестве характерного размера а диаметр канала течи d = 1•10-4 м. Подсчет показывает, что число Кнудсена Кт = λ0/а > 1 даже при сравнительно небольшом разрежении 1,33•101 Па, т.е. режим течения соответствует молекулярному. Вязкостный режим течения может быть обеспечен либо за счет увеличения диаметра канала течи, либо за счет повышения давления, газа в течи. Если принять размер диаметра течи прежним (1•10-4 м), а давление увеличить до 66,5•102 Па (50 мм рт. ст.), то для воздуха число Кнудсена Кn = 9,7•10-3, т.е. Кn£0,01. Это означает, что режим течения воздуха в течи при принятых значениях а и λ0 оказывается вязкостным. Этот же режим течения газа может быть обеспечен при давлении 1,33•101 Па (λ0 = 4,85•10-4 м), но при а = 5•10-2 м.
Течение со скольжением и переходный режим имеют место в течах достаточно большой протяженности. При этих режимах течения существенное значение приобретает внутреннее трение, роль которого возрастает с увеличением длины течи.
При течении газа как сплашной среды необходимо различать, два случая: когда влияние вязкости мало и когда влияние вязкости велико. В первом случае применяется модель истечения газа через отверстие в тонкой стенке, во втором — модель движения), газа через течи достаточно большой протяженности.
Как отмечалось ранее, структура течей весьма неопределенна. Поэтому установить режим течения газа и выбрать соответствующую формулу для расчета потока не всегда просто. Воспользуемся универсальной формулой Кнудсена, которая имеет вид
                                                                (10.25)
где Z — эмпирическая функция, зависящая от давления в системе и диаметра течи (она колеблется от 0,8 до 1,0); Gвяз — проводимость для вязкостных условий; Gм — проводимость для молекулярных условий; G — полная проводимость, м3/с.
Рассмотрим методику определения потока на основе анализа проводимости (пропускной способности).
Проводимость G определяют по формуле
                                                    (10.26)
где P1 и Р2 — давления, измеряемые  у выхода и входа в канал. Термин «проводимостью  заимствован из электротехники. При этом аналогом давления служит электрический потенциал, а аналогом потока — электрический ток. Продолжая аналогию, величину G-1 = W называют сопротивлением.
Принимая Z в уравнении (10.25) равную среднему значению 0,9, получим
                                                 (10.27)
На основе (10.27) получим следующую формулу для расчета проводимости:
                          (10.28)
или
                               (10.29)
где d и l — диаметр и длина канала течи; η — постоянная вязкости (для воздуха при комнатной температуре она равна 18,1 н•с/м2); М — молекулярный вес; Т — абсолютная температура; РΣ = (P1 + P2)/2— среднее значение давления.
Из формулы (10.28) можно получить известные формулы для предельных случаев вязкого и молекулярного, течений. С учетом (10.24) число Кнудсена равно Кn = 3,1•10-24TP2/(d0d), т.е. оно пропорционально TPΣ/d. Отсюда следует, что формулу (10.28) можно записать так:

Когда число Кнудсена велико (больше 1), то проводимость определяет второй член в скобках; возникает молекулярное, или кнудсеновское, течение:

где Р = Р2 – P1. Когда число Кn значительно меньше 1, то вторым членом в скобках пренебрегают и проводимость определяет первый член в скобках. Возникает вязкое течение, определяемое законом Пуазейля:
                  (10.30)
Анализ зависимости (10.28) показывает, что для определенного газа, текущего при данной температуре, проводимость практически не зависит от давления РΣ (рис. 10.25). Это удобно при расчетах сложных систем и в том числе при определении потоков газа. Так, если две или несколько течей соединены параллельно (например, течи в поверхности изделия), то полная пропускная способность этой поверхности (стенки) равна сумме проводимостей каждой течи.
В то же время с использованием уравнений для проводимости можно найти поток газа, используя соотношение
                                                           (10.31)
Определим W из соотношения W= 1/G:
                    (10.32)
Продифференцируем (10.32) по l, подставим в (10.31) и проинтегрируем:
                               (10.33)
Принимая Р1==0, получим уравнение для расчета потока В в нормализованных условиях:
                       (10.34)


Рис. 10.25. Зависимость, проводимости от давления

По формуле (10.34) можно рассчитать различные параметры процесса испытаний, осуществить выбор пробного газа, определить нормализованные значения потоков при заданных  параметрах процесса контроля.
Общая характеристика явлений, лежащих в основе течеискательных устройств. Анализ гидродинамических процессов течеискательных устройств, рассмотренных выше, показывает, что большинство из них относится К проточным и характеризуется наличием непрерывного протока пробного газа через полость чувствительного. элемента. Правомерность этой общей для многих течеискательных устройств особенности может быть подтверждена если рассмотреть принципиальные схемы течеискателей, основанные на различных физических методах контроля (см. § 10.2). На рис. 10.26 представлены варианты проточных, масс-спектрометрического, галогенного, ионизационного устройств. Общим для всех рассматриваемых систем является проток газа в камере чувствительного элемента.

Рис. 10.26. Проточная масс-спектрометрическая схема испытаний (а),
проточная галогенная схема испытаний (б), проточная ионизационная схема испытаний (в)

Рис. 10.27 замкнутая схема испытаний

Действительно для большинства вариантов масс-спектрометрических течеискательных устройств (рис.10.26, а) необходимо обеспечить определенный вакуум в камере 1, достигаемый благодаря постоянной работе вакуумного откачивающего устройства 2. При использовании галогенных течеискателей (рис. 10.26, б) поток смеси воздуха с пробным газом необходим для обеспечения работоспособности чувствительного элемента в виде платинового электрода, установленного в проточной полости 4. Шунтирующая линия 3 предназначена для обеспечения протока чистого воздуха в промежутках контроля. Подобным образом можно подтвердить необходимость протока газа при использовании других течеискательных устройств, например ионизационного (рис. 10.26, в). В этой системе камера 1 и преобразователь 5 продуваются чистым азотом как газом-носителем.
К течеискательным устройствам проточного типа относятся также катарометрические инфракрасные, электронозахватные и некоторые другие.
Еще одна отличительная особенность проточных течеискательных систем состоит в том, что основным регистрируемым параметром служит парциальное давление пробного газа, высокочувствительный контроль которого осуществляется газоаналитическими преобразователями.
Частный случай проточных течеискательных устройств — замкнутые системы (рис. 10.27). В этой схеме испытательная камера 2, канал 3 и камера преобразователя 4 образуют замкнутую систему, в которой происходит изменение общего давления газа при наличии течи в стенке контролируемого изделия 1. Изменение этого давления регистрируется преобразователем (манометром). В отличие от проточных систем замкнутые устройства не имеют протока газа через полость чувствительного элемента. Они обладают меньшими возможностями, а в качестве регистратора утечки, как правило, используется манометрическое (вакуумметрическое) устройство.
Приведенное разделение течеискательных устройств удобно также с точки зрения математического анализа. В общем виде математические модели нестационарных процессов течеискательных устройств базируются на обобщенном уравнении Кнудсена и составлены с учетом баланса потоков газа во взаимосвязанной системе «объект контроля — испытательная камера - регистратор». На примере масс-спектрометрического течеискательного устройства система уравнений нестационарного процесса изменения парциального давления имеет вид
                                   (10.35)
                              (10.36)
В приведенных уравнениях коэффициенты А0 и A1 определяются:
для круглых сквозных дефектов
                                          (10.37)
для щелевидных сквозных дефектов
                            (10.38)
Здесь Vи — объем объекта контроля, м3; Vк — объем испытательной камеры, м3; Ри — парциальное давление пробного газа в контролируемом изделии, Н/м2; Рк — парциальное давление пробного газа в камере, Н/м2; А1 — проводимость сквозного дефекта, м3/с; А0 — постоянный коэффициент, м5/(с•Н); Sэ — эффективная быстрота откачки, м3/с; r — радиус сквозного дефекта, м; μr — коэффициент динамической вязкости, Н•с/м2; l — длина сквозного дефекта, м; V — средняя скорость молекул газа, м/сек; δ — ширина щели, м; h — высота щели, м; R — универсальная газовая постоянная; м2/(с2•град); Т — абсолютная температура, К; М — молекулярная масса газа, кг/моль.
Для молекулярного режима истечения газа система уравнений может быть получена, если выполнить условие
                                           (10.39)
которое с учетом (10.37), (10.38) может быть преобразовано:
                                                     (10.40)
где λ0 — длина свободного пробега молекул, м. Условие (10.40) согласуется с основным критерием свободномолекулярного режима течения газа.
С учетом (10.39) система дифференциальных уравнений для молекулярного режима истечения газа имеет вид
                                           (10.41)
                                        (10.42)

Рис. 10.28. Динамические характеристики масс-спектрометрических систем

Уравнения (10.41), (10.42) служат математической моделью проточных масс-спектрометрических устройств, о которых говорилось выше.
Анализ системы дифференциальных уравнений (10.41), (10.42) и соответствующих им графических зависимостей (рис. 10.28) позволил сделать вывод о том, что в рассматриваемых течеискательных системах в зависимости от соотношения величин A1/Vи и Sэ/Vк возможны различные виды динамических характеристик. При Sэ/Vк = 0 переходный процесс изменения парциального давления характеризуется монотонно возрастающей переходной характеристикой, достигающей максимального значения при t®¥ (кривая 1). Такой вид переходного процесса характерен для режима накопления, как одного из способов повышения чувствительности. При Sэ/Vк ¹ 0, A1/Vи = 0 графики переходного процесса имеют вид сложных кривых с максимумами при t = t2*, t = t3* (кривые 2, 3). Этот вид переходного процесса наиболее интересен для изучения. Поэтому важно выяснить условия, при которых достигается наибольшая крутизна начального участка динамической характеристики. При Sэ/Vк ®¥ переходный процесс является также монотонным, но убывающим (кривая 4). На практике этот вид переходного процесса не используется. Наконец, когда поток газа, поступающий через сквозной дефект в испытательную камеру, равен потоку газа, отбираемому из камеры откачным устройством, парциальное давление Рк остается на уровне Рк0. Этот случай, еще не реализованный на практике, тем не менее представляет собой интерес, так как оказывается принципиально возможным создание нулевого способа контроля герметичности изделий.
Качественный вид характеристик, приведенных на рис. 10.27, является характерным для большинства течеискательных устройств, основанных на различных методах. Исследование математических моделей процессов изменения давления, динамических характеристик течеискательных устройств позволяет определить многие параметры процесса контроля, в том числе время контроля, постоянную времени и др.
Выявляемость течей. В основе непредсказуемого перекрытия течей лежат эффекты взаимодействия внутренней поверхности течи с проходящими через них газообразными и жидкими средами за счет физической адсорбции, химических реакций и других процессов.
На выявляемость течей значительное влияние оказывают остаточные напряжения, возникающие в конструктивных элементах, объектов, и деформация контролируемой оболочки. Как показывает опыт, даже в достаточно толстых и жестких оболочках течи могут изменять свои размеры и даже полностью закрываться в зависимости от изменения направления и значения испытательного давления. Поэтому в ответственных случаях для надежного выявления течей рекомендуется проводить испытания объектов в условиях, максимально приближенных к условиям их работы и хранения. Одной из наиболее распространенных причин возможного невыявления течей является их частичное или полное пере­крытие частицами жидкости. Это особенно часто проявляется при жидкостных испытаниях. Эксперименты показали, что течи могут находиться в закупоренном состоянии длительное время — от нескольких недель до нескольких месяцев. В связи с этим всегда, когда этому не препятствуют какие-либо технологические факторы, необходимо переходить от жидкостных методов контроля герметичности к газовым.

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ. Кн. I. Общие вопросы. Контроль проникающими веществами. Гурвич, Ермолов, Сажин.

Дополнительная профессиональная образовательная программа «Основы течеискания и вакуумной техники» 20 – 22 марта 2018

ООО «ВАКТРОН» и Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова приглашают сотрудников предприятий принять участие в программе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники» 20 – 22 марта 2018 года. Лекторы курса:

  1. Школа течеискания в ПетербургеПреподаватели университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» — расчетные и исследовательские задачи
  2. Сотрудники компании ВАКТРОН — разработка систем течеискания и вакуумирования
  3. Представители завода «Измеритель» — сервис и запчасти для течеискателей ТИ
  4. Специалисты метрологической организации — поверка и калибровка в течеискании
  5. Представители аттестационного центра — аттестация персонала и лаборатории NDT
  6. Инженеры по сервису ULVAC, NOLEK и PedroGil — модернизация и обслуживание вакуумных насосов и аналитических систем

Базовые темы обучения:

  • Вакуумная техника и контроль герметичности в авиационной и космической отрасли
  • Герметичность объектов военного назначения
  • Выбор вакуумных насосов и течеискателей для металлургии, научных исследований и коммерческих задач
  • Ремонт вакуумных печей и напылительных установок
  • Автоматические линии контроля герметичности».

После прохождения итогового тестирования специалист получает методические материалы, видеозапись занятий и удостоверение о повышении квалификации государственного образца по университетской программе дополнительного профессионального образования. Занятия будут проходить в Санкт-Петербурге в аудиториях университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» с посещением сервисного участка ВАКТРОН. Для направления на обучение необходима предварительная регистрация. Регистрация участников: 8 (812) 740-66-02, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Скачать приглашение и программу курса (DOC)


8-812-740-66-02
8-812-989-04-49
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.