氣密性能檢測儀器的創新設計

文/劉思遠

摘要：針對壓差法氣體密封性能檢測設計的缺點，提出容腔壓降方案，可以避開溫度擾動障礙，滿足精度要求。

關鍵詞：充氣；平衡；檢測；排氣

0 引言

在包括包裝容器等諸多個行業中，中間工序和最終工序可能有產品的密封性能檢測，以確保各種規格尺寸、形體的膠合面或工藝結合面密封能力達標。工業級測量范圍是50~700kPa。科學試驗領域，包括航天試驗，同樣需要密封性能檢測，其最高測量范圍高達35MPa。

日本FUKUDA 公司從20世紀60年代開始研制生產氣密檢測儀（福田），占據中國市場最大份額。

目前國內中科院所已有自主研制氣密檢測儀器，航天設計院也設計了高壓的泄漏檢測儀，個別公司也有設計制造此類儀器，精度和穩定性或可滿足設計目標，但是在特殊條件下的應用能力還有待提高。

1 壓差法

氣體密封性能檢測過去有氣泡法、氦質譜法，現在對于精度要求高的密封件做密封性能檢測，多采用氣體差壓法。此種方法依賴高精度的壓力傳感器和壓差傳感器。

國內常見的壓差方案， 其氣路里面包含基準件（標準件），壓差氣路結構如圖1 所示。

整個測量過程分為4個關鍵階段：

（1）充氣階段：閥1﹑閥2 打開；時間到，閥1 關閉。

（2）平衡階段：閥1 關閉、閥2 打開，使得兩個容器里面的氣壓、溫度都充分一致。

（3）檢測階段：閥1、閥2 關閉，任何一邊泄露都可引起壓差計的電流變化。默認標準件不漏，所以壓差值就對應泄露值。檢測階段時間長短取決于孔隙大小，孔隙小，泄漏流量小，需要檢測時間長。

（4）排氣階段：閥1 關閉、閥2 打開，移除被測件，排凈管路氣體。

但是此種方案存在明顯的缺點：被測工件和標準件的外殼材質、導熱系數、有效傳熱面積等不同，導致測量階段的壓差值是波動的，儀表顯示“有泄漏”，而工業現場的溫度是擾動的，導致壓差值擾動，實際上
被測件可能根本不漏。

所以在精準測量時，要求被測工件溫度降至室溫后再進行檢測。如果被測物是易導熱產品（如油冷卻器和散熱器），即使環境空氣有微小氣流，也會使檢測精度有所下降。在冬天，室內地面溫度同室內空間溫度有較大差別， 如果待檢被測物直接放在地板上，檢測精度肯定也會受到影響。

所以，必須尋求一種可以避開溫度擾動，滿足一般精度要求，可以應用于惡劣的車間環境的設計方案。

2 設計方案

考慮到工廠惡劣的環境和需要反復更換模具這些客觀條件，放棄壓差法，采用容腔壓降直接測量法來檢測閥控蓄電池6 個單格的環氧樹脂密封情況。它類似于日本福田的FL273 的氣路，系統結構如圖2 所示。

充氣階段：OK620 6A 閥打開；平衡階段和檢測階段：OK620 6A 閥關閉；排氣階段：氣密模具抬起，完成排氣動作。平衡階段和檢測階段的銜接是靠軟件內的時間控制實現的。

軟件控制平衡階段的時間， 在平衡階段的時間T下降沿采樣容腔氣壓P1，測量結束時刻采樣容腔氣壓P2，P1和P2之差就是壓力差值。

被測件1 和被測件2 先后分兩次測量，靠換向閥OK620 231 實現。氣密模具上下動作，壓緊被測件。模具本身的導熱性、接口密封設計合理與否直接關系到檢測系統自身的泄漏量，如果模具泄露量大于被測工件，那么檢測出來的永遠是模具的泄露，可見模具設計制作的重要性。所以針對特定工件的檢測儀設計，一定要專門設計模具。

氣路采用了最簡潔的管路，可以有效消除充氣階段的熱效應，最大可能避開溫度擾動時刻，抓取容積壓力。

主要元件規格：日本MSC 精密調壓閥，調壓范圍0.005~0.2MPa ，管徑1/2，靈敏度0.1kPa ，實際調試壓力0.1MPa ；換向閥，上海歐文凱利的OK 系列，最低動作壓力為0bar， 通徑3~6mm，kV 值為0.23 左右；上海立格LEEG 傳感器，SMP131-S4G2F2A2D (0～1.5bar)L，精度0.25％ F.S,量程150kPa，最小分辨率0.375kPa；控制器， 西門子S7 226CN ；觸摸屏，HITECH 的PWS5600T -S ；模擬量模塊， 西門子6ES7 231 -0HC22 -0XA0，EM231 只有調最大值的增益旋鈕，EM235 有調零和最大值兩個旋鈕。LEEG 傳感器電流和壓力關系見表1。

電路結構和程序流程分別如圖3、圖4 所示，主要梯形圖如圖5 所示。

3 結語

氣體密度檢測儀的設計一定要考慮氣體平衡環節，平衡時間的下降沿可以作為測量起始時間點。模具和被測物的容積影響了所有環節的時間軸數值，即各階段時間長短，所以每一階段的時間量都需實驗確定。

理論上，普通實驗條件下，所有的被測物都是泄漏的，儀器精確度越高，數據撓動越大，所以選擇合適的精度和泄漏檢測閥值是很關鍵的。設計氣密檢測儀時，不可忽略氣路設計的平衡對稱性，每一節氣路的氣管管徑和長度或者氣閥的通徑， 都需要計算和實驗。氣路結構的對稱性和管路容腔的平衡性越高，氣路的穩定性越好， 因為它的充氣階段的熱效應低，越能在最快的時間里達到平衡。所以各個閥體的通徑要統一，所有管路直徑要統一。