远程氦质谱检漏探头装置的研制

2020-04-20 贺华艳散裂中子源科学中心

　　检漏是真空获得的一个重要步骤，对于危及人员安全的高危环境，或者结构复杂而不能停机的情况，无法按照目前常规做法逐个漏孔实施检漏。通过深入研究氦质谱检漏的方法，基于PLC设计远程真空检漏探头装置，实现全程摄像头实时监控的远程在线270°范围内喷吹检漏和正压吸枪检漏。将试验结果与手动检测比较，表明该装置能够准确、有效定性检测漏点位置范围及漏率，为真空系统远程在线智能技术提供支持，减轻人工劳动强度及保障人身安全具有十分重要的实用价值。

　　随着科学技术和工业生产的不断发展，真空设备的要求越来越高，真空检漏技术也发挥着越来越重要的作用。定性检漏方法的喷吹法和吸入法，可用于确定漏孔位置，其中氦质谱检漏法最为常用和普遍。而在检漏过程中同时控制检漏仪及附属喷枪，及时观察漏率变化、数据分析以及反馈操作等，往往同时需要多个操作人员分工协作，大大降低了测量的效率和精度。计算机技术的发展带领测量仪器向自动化和智能化发展，目前氦质谱检漏仪出现了微机控制的产品，但是智能化检漏及缺陷诊断依然任重道远。

　　设计研究远程氦质谱检漏探头装置，基于可编程控制器( PLC) 及摄像监控基础上进行喷氦法检漏和正压吸枪检漏，实现高危环境等真空系统的远程在线智能检测。

1、氦质谱检漏基本原理和方法

　　真空检漏技术就是用适当的方法判断真空系统是否存在漏气，确定漏孔位置及漏孔大小的一门技术。氦质谱检漏就是用一定的手段将氦气加到被检工件的某一侧，再用氦质谱检漏仪在另一侧通过恰当的方法检测通过漏孔溢出的氦气，从而达到检测的目的。喷氦法和正压法是氦质谱检漏的两种基本方法。

　　1.1、喷氦法检漏

　　喷氦法检漏是将被检测件内腔抽真空，用喷枪将一定压力的氦气对被检测件表面进行喷吹，以检测进入被测件的氦泄漏量。喷氦法花费时间较多，但可以具体确定漏孔位置，且具有高灵敏度、低成本的优点，为一种常用的漏点型定性检漏法。

　　1.2、正压吸枪检漏

　　正压吸枪检漏是对被测件内腔进行充氦气，用吸枪在被测件表面缓慢移动，采样通过漏孔泄漏出的氦气。正压吸枪检漏可以很好地检测到漏点位置，且易于操作，不需要将被测件抽真空，它代替了过去常用的气泡法检漏，操作简单方便且快速，成为近代工业生产普遍采用的一种定性检漏法。

2、装置总体设计

　　远程真空检漏探头装置包括二个主要模块：探头及氦质谱检漏仪的控制调节模块和摄像头的识别监控模块，其中核心功能是在摄像头的辅助识别、实时监控基础上实现远程控制氦质谱检漏仪及其附件喷枪的控制调节，完成对真空试件的检漏操作。远程氦质谱检漏装置总体框图如图1(a) 所示。

　　检漏仪、氦气源、电源、无线通讯路由器和摄像头，搭载在三轴位置调节机构，可实现喷枪探头的粗精度位置调整和监控，如图1(b) 所示。

　　中央控制主机通过无线通讯模式连接路由器，再由路由器连接PLC 控制调节4 台电机，实现探头对准真空试件的位置角度调节；同时PLC 通过控制电磁阀的工作从而控制氦气的通断。氦质谱检漏仪选取安捷伦VSPD03，具备宽量程检漏、无线遥控及主机射频(RF) 通信功能，满足远程中央控制检漏仪要求。电磁阀选取力典LD51，连接喷枪和氦气，满足零压启动、常闭型、工作压力为(3 ～5) × 105 Pa 等使用要求。

　　探头固定在180°弧形导轨的滑块上，转速约为7.5 mm/s；同时弧形导轨通过电机可相对固定轴实现±90°旋转，转速约为4.5 mm/s，最终实现探头270°范围内的移动检测，如图1(c) 所示。

远程氦质谱检漏装置结构图

图1 远程氦质谱检漏装置结构图

3、试验部分

　　试验分成喷氦法检漏和正压吸枪检漏两部分。首先用常规的手动法检测不同位置的漏率并作为基准，然后通过远程控制移动探头检测各个位置的漏率数据。为消除偶然误差，采取多次重复试验取平均值作为最终结果。

　　3.1、喷氦法检漏试验及结果分析

　　将0. 5 m 长内径Φ250 mm 圆形真空盒作为被检器件，其端口KF250 快卸法兰与盲板通过快卸链条密封，再连接VSPD03 氦质谱检漏仪形成一个真空系统。确认试验真空系统的密封状态满足测试要求后，在法兰的连接缝处人为地制作一个漏点。手动喷氦法检测连接缝各个位置的漏率后，将氦气瓶与探头喷枪连接并远程控制喷枪移动检测。当氦气喷到制作的漏点区域会立即被吸入到检漏仪质谱室中，检漏仪输出漏率变化响应。喷氦法检漏试验连接如图2所示。

喷氦法检漏试验

图2 喷氦法检漏试验

　　喷枪探头检测并记录7个真空盒法兰连接缝位置点位。试验时真空系统的本底漏率逐渐变好，取其平均值9.0×10 -11 Pa·m3 /s，压强为5.3×10 -1Pa。多次重复喷氦法检漏后最终漏率数值统计如图3 所示。

喷氦法检漏试验数据

图3 喷氦法检漏试验数据

　　喷氦法检漏试验中手动和装置这两种方式所检测7 个点位的漏率差值小于1 个量级，说明装置远程喷氦法检漏有效可靠。装置远程检测点位A、B、C、D 的漏率与本底值比较漏率变化较小，接近10-10Pa·m3/s 量级；点位E开始与本底相比显著变大，漏率进入在10 -7 Pa·m3/s 量级；在点位F 检测得到漏率最大值4.88×10 -7 Pa·m3/s，点位G 漏率有所变小但保持在10 -7 Pa·m3/s 量级。通过该装置检测结果可判断得知，该试验系统漏孔位置应在弧度DF范围。

　　点位D 手动法检测漏率平均值为8.8 ×10 - 10Pa·m3/s，而装置远程检测漏率为9.44×10 -9Pa·m3/s，相对其它点位的两种方法漏率差值较大。喷氦法检漏依靠人为控制氦气持续时间和压力，且氦气迅速四周扩散进入临近漏孔，导致检测重复性低。同理这也导致装置无法再进一步确认弧度DF范围内漏孔的精确位置。喷氦法检漏虽为定性检测，但精确控制氦气的持续时间和压力值二者具有非常积极的意义，应对装置继续进一步研究升级改造。

　　3.2、正压吸枪检漏实验及结果分析

　　吸枪检漏要求真空系统内填充大于1 × 105 Pa的氦气。因此，对喷氦法检漏试验的真空系统增加一个阀门，其一端口连接检漏仪，另一端口连接氦源。当真空腔室达到本底后关闭检漏仪及对应阀门端口，开启氦源及阀门端口对真空腔室填至2.2 ×105 Pa，稳定后再全部关闭则完成氦气填充。管长7. 5 m 的快速吸枪连接检漏仪并抽真空到本底1.7×10 -7 Pa·m3/s，吸枪端口压强为65 Pa 后，设置检漏仪的漏率报警值为本底值的两倍。调整吸枪探尖距离快卸链条外廓距离约1 mm，再远程控制吸枪缓慢移动。如图4(a) 为吸枪检漏试验装置连接图，图4(b) 为检测点位示意图。

正压吸枪检漏试验

图4 正压吸枪检漏试验

　　多次重复吸枪检漏后最终漏率数值统计如图5(a) 所示。从图中可以看出，两种方式得到7 个点位的漏率差值较小，说明装置正压吸枪法检漏准确有效。装置吸枪远程检测点位A、B、C、D、F、G 的漏率非常接近本底值；而在E 点位其漏率明显变大至2.1×10 -7 Pa·m3/s，可初步断定漏孔应该在点位E 附近。为进一步确定漏孔位置，对E 点附近增加测量点位e1、e2、e3、e4、e5以及e6，统计其检测漏率数值如图5(b) 。结果显示增加6 个测量点位中，e1点的漏率最大，为1.8×10 - 6 Pa·m3/s，其它5 个点位依次减小至接近本底，因此可进一步判断漏孔位置靠近e1点位概率较大。

正压吸枪检漏试验数据