遠程氦質(zhì)譜檢漏探頭裝置的研制

2020-04-20 賀華艷散裂中子源科學(xué)中心

　　檢漏是真空獲得的一個重要步驟，對于危及人員安全的高危環(huán)境，或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不能停機的情況，無法按照目前常規(guī)做法逐個漏孔實施檢漏。通過深入研究氦質(zhì)譜檢漏的方法，基于PLC設(shè)計遠程真空檢漏探頭裝置，實現(xiàn)全程攝像頭實時監(jiān)控的遠程在線270°范圍內(nèi)噴吹檢漏和正壓吸槍檢漏。將試驗結(jié)果與手動檢測比較，表明該裝置能夠準確、有效定性檢測漏點位置范圍及漏率，為真空系統(tǒng)遠程在線智能技術(shù)提供支持，減輕人工勞動強度及保障人身安全具有十分重要的實用價值。

　　隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，真空設(shè)備的要求越來越高，真空檢漏技術(shù)也發(fā)揮著越來越重要的作用。定性檢漏方法的噴吹法和吸入法，可用于確定漏孔位置，其中氦質(zhì)譜檢漏法最為常用和普遍。而在檢漏過程中同時控制檢漏儀及附屬噴槍，及時觀察漏率變化、數(shù)據(jù)分析以及反饋操作等，往往同時需要多個操作人員分工協(xié)作，大大降低了測量的效率和精度。計算機技術(shù)的發(fā)展帶領(lǐng)測量儀器向自動化和智能化發(fā)展，目前氦質(zhì)譜檢漏儀出現(xiàn)了微機控制的產(chǎn)品，但是智能化檢漏及缺陷診斷依然任重道遠。

　　設(shè)計研究遠程氦質(zhì)譜檢漏探頭裝置，基于可編程控制器( PLC) 及攝像監(jiān)控基礎(chǔ)上進行噴氦法檢漏和正壓吸槍檢漏，實現(xiàn)高危環(huán)境等真空系統(tǒng)的遠程在線智能檢測。

1、氦質(zhì)譜檢漏基本原理和方法

　　真空檢漏技術(shù)就是用適當?shù)姆椒ㄅ袛嗾婵障到y(tǒng)是否存在漏氣，確定漏孔位置及漏孔大小的一門技術(shù)。氦質(zhì)譜檢漏就是用一定的手段將氦氣加到被檢工件的某一側(cè)，再用氦質(zhì)譜檢漏儀在另一側(cè)通過恰當?shù)姆椒z測通過漏孔溢出的氦氣，從而達到檢測的目的。噴氦法和正壓法是氦質(zhì)譜檢漏的兩種基本方法。

　　1.1、噴氦法檢漏

　　噴氦法檢漏是將被檢測件內(nèi)腔抽真空，用噴槍將一定壓力的氦氣對被檢測件表面進行噴吹，以檢測進入被測件的氦泄漏量。噴氦法花費時間較多，但可以具體確定漏孔位置，且具有高靈敏度、低成本的優(yōu)點，為一種常用的漏點型定性檢漏法。

　　1.2、正壓吸槍檢漏

　　正壓吸槍檢漏是對被測件內(nèi)腔進行充氦氣，用吸槍在被測件表面緩慢移動，采樣通過漏孔泄漏出的氦氣。正壓吸槍檢漏可以很好地檢測到漏點位置，且易于操作，不需要將被測件抽真空，它代替了過去常用的氣泡法檢漏，操作簡單方便且快速，成為近代工業(yè)生產(chǎn)普遍采用的一種定性檢漏法。

2、裝置總體設(shè)計

　　遠程真空檢漏探頭裝置包括二個主要模塊：探頭及氦質(zhì)譜檢漏儀的控制調(diào)節(jié)模塊和攝像頭的識別監(jiān)控模塊，其中核心功能是在攝像頭的輔助識別、實時監(jiān)控基礎(chǔ)上實現(xiàn)遠程控制氦質(zhì)譜檢漏儀及其附件噴槍的控制調(diào)節(jié)，完成對真空試件的檢漏操作。遠程氦質(zhì)譜檢漏裝置總體框圖如圖1(a) 所示。

　　檢漏儀、氦氣源、電源、無線通訊路由器和攝像頭，搭載在三軸位置調(diào)節(jié)機構(gòu)，可實現(xiàn)噴槍探頭的粗精度位置調(diào)整和監(jiān)控，如圖1(b) 所示。

　　中央控制主機通過無線通訊模式連接路由器，再由路由器連接PLC 控制調(diào)節(jié)4 臺電機，實現(xiàn)探頭對準真空試件的位置角度調(diào)節(jié)；同時PLC 通過控制電磁閥的工作從而控制氦氣的通斷。氦質(zhì)譜檢漏儀選取安捷倫VSPD03，具備寬量程檢漏、無線遙控及主機射頻(RF) 通信功能，滿足遠程中央控制檢漏儀要求。電磁閥選取力典LD51，連接噴槍和氦氣，滿足零壓啟動、常閉型、工作壓力為(3 ～5) × 105 Pa 等使用要求。

　　探頭固定在180°弧形導(dǎo)軌的滑塊上，轉(zhuǎn)速約為7.5 mm/s；同時弧形導(dǎo)軌通過電機可相對固定軸實現(xiàn)±90°旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速約為4.5 mm/s，最終實現(xiàn)探頭270°范圍內(nèi)的移動檢測，如圖1(c) 所示。

遠程氦質(zhì)譜檢漏裝置結(jié)構(gòu)圖

圖1 遠程氦質(zhì)譜檢漏裝置結(jié)構(gòu)圖

3、試驗部分

　　試驗分成噴氦法檢漏和正壓吸槍檢漏兩部分。首先用常規(guī)的手動法檢測不同位置的漏率并作為基準，然后通過遠程控制移動探頭檢測各個位置的漏率數(shù)據(jù)。為消除偶然誤差，采取多次重復(fù)試驗取平均值作為最終結(jié)果。

　　3.1、噴氦法檢漏試驗及結(jié)果分析

　　將0. 5 m 長內(nèi)徑Φ250 mm 圓形真空盒作為被檢器件，其端口KF250 快卸法蘭與盲板通過快卸鏈條密封，再連接VSPD03 氦質(zhì)譜檢漏儀形成一個真空系統(tǒng)。確認試驗真空系統(tǒng)的密封狀態(tài)滿足測試要求后，在法蘭的連接縫處人為地制作一個漏點。手動噴氦法檢測連接縫各個位置的漏率后，將氦氣瓶與探頭噴槍連接并遠程控制噴槍移動檢測。當氦氣噴到制作的漏點區(qū)域會立即被吸入到檢漏儀質(zhì)譜室中，檢漏儀輸出漏率變化響應(yīng)。噴氦法檢漏試驗連接如圖2所示。

噴氦法檢漏試驗

圖2 噴氦法檢漏試驗

　　噴槍探頭檢測并記錄7個真空盒法蘭連接縫位置點位。試驗時真空系統(tǒng)的本底漏率逐漸變好，取其平均值9.0×10 -11 Pa·m3 /s，壓強為5.3×10 -1Pa。多次重復(fù)噴氦法檢漏后最終漏率數(shù)值統(tǒng)計如圖3 所示。

噴氦法檢漏試驗數(shù)據(jù)

圖3 噴氦法檢漏試驗數(shù)據(jù)

　　噴氦法檢漏試驗中手動和裝置這兩種方式所檢測7 個點位的漏率差值小于1 個量級，說明裝置遠程噴氦法檢漏有效可靠。裝置遠程檢測點位A、B、C、D 的漏率與本底值比較漏率變化較小，接近10-10Pa·m3/s 量級；點位E開始與本底相比顯著變大，漏率進入在10 -7 Pa·m3/s 量級；在點位F 檢測得到漏率最大值4.88×10 -7 Pa·m3/s，點位G 漏率有所變小但保持在10 -7 Pa·m3/s 量級。通過該裝置檢測結(jié)果可判斷得知，該試驗系統(tǒng)漏孔位置應(yīng)在弧度DF范圍。

　　點位D 手動法檢測漏率平均值為8.8 ×10 - 10Pa·m3/s，而裝置遠程檢測漏率為9.44×10 -9Pa·m3/s，相對其它點位的兩種方法漏率差值較大。噴氦法檢漏依靠人為控制氦氣持續(xù)時間和壓力，且氦氣迅速四周擴散進入臨近漏孔，導(dǎo)致檢測重復(fù)性低。同理這也導(dǎo)致裝置無法再進一步確認弧度DF范圍內(nèi)漏孔的精確位置。噴氦法檢漏雖為定性檢測，但精確控制氦氣的持續(xù)時間和壓力值二者具有非常積極的意義，應(yīng)對裝置繼續(xù)進一步研究升級改造。

　　3.2、正壓吸槍檢漏實驗及結(jié)果分析

　　吸槍檢漏要求真空系統(tǒng)內(nèi)填充大于1 × 105 Pa的氦氣。因此，對噴氦法檢漏試驗的真空系統(tǒng)增加一個閥門，其一端口連接檢漏儀，另一端口連接氦源。當真空腔室達到本底后關(guān)閉檢漏儀及對應(yīng)閥門端口，開啟氦源及閥門端口對真空腔室填至2.2 ×105 Pa，穩(wěn)定后再全部關(guān)閉則完成氦氣填充。管長7. 5 m 的快速吸槍連接檢漏儀并抽真空到本底1.7×10 -7 Pa·m3/s，吸槍端口壓強為65 Pa 后，設(shè)置檢漏儀的漏率報警值為本底值的兩倍。調(diào)整吸槍探尖距離快卸鏈條外廓距離約1 mm，再遠程控制吸槍緩慢移動。如圖4(a) 為吸槍檢漏試驗裝置連接圖，圖4(b) 為檢測點位示意圖。

正壓吸槍檢漏試驗

圖4 正壓吸槍檢漏試驗

　　多次重復(fù)吸槍檢漏后最終漏率數(shù)值統(tǒng)計如圖5(a) 所示。從圖中可以看出，兩種方式得到7 個點位的漏率差值較小，說明裝置正壓吸槍法檢漏準確有效。裝置吸槍遠程檢測點位A、B、C、D、F、G 的漏率非常接近本底值；而在E 點位其漏率明顯變大至2.1×10 -7 Pa·m3/s，可初步斷定漏孔應(yīng)該在點位E 附近。為進一步確定漏孔位置，對E 點附近增加測量點位e1、e2、e3、e4、e5以及e6，統(tǒng)計其檢測漏率數(shù)值如圖5(b) 。結(jié)果顯示增加6 個測量點位中，e1點的漏率最大，為1.8×10 - 6 Pa·m3/s，其它5 個點位依次減小至接近本底，因此可進一步判斷漏孔位置靠近e1點位概率較大。

正壓吸槍檢漏試驗數(shù)據(jù)