CN101470045A - 一种Ni-H2蓄电池氢工质泄漏检测系统 - Google Patents

Abstract

一种N_i－H₂蓄电池氢工质泄漏检测系统，由质谱分析装置和样品检测装置两部分组成，二者之间通过高真空角阀连接。质谱分析装置由四极质谱计、冷阴极电离真空计、质谱室、高真空抽气机组组成。样品检测装置由被测样品、检测室、电离真空规、放气阀、标准漏孔、充气阀、氢气袋、预抽机组、检测室抽气机组、插板阀组成。样品检测装置用于为样品的真空检漏提供真空条件，质谱分析装置用于对样品检测装置提供的气体作氢成份检测，并根据标准漏孔校准值确定样品的漏率。本系统采用质谱分析方法实现了对N_i－H₂蓄电池氢工质泄漏的定量检测，系统的有效最小可检漏率小于1×10^－8Pa·m³/s，具有检测灵敏度高、检测结果可靠等优点，可应用于内部充有一定压力氢气的密封部件的氢工质泄漏检测。

Description

一种Ni-H2蓄电池氢工质泄漏检测系统

技术领域

本发明涉及一种N_i-H₂蓄电池氢工质泄漏检测系统，属于检漏技术领域。

背景技术

N_i-H₂蓄电池是卫星等航天器上重要能源部件，在航天器入轨和处于太阳阴影区域内，由N_i-H₂蓄电池组向航天器提供全部能源，满足航天器正常工作的各级电源要求。因此，N_i-H₂蓄电池的质量和寿命直接关系到航天器的质量和寿命。

N_i-H₂蓄电池结构为全密封金属罐体结构，罐内装有工作介质和氢气。在电池不充电情况下，电池内氢压力约为常压(0.1MPa)，当电池充满电时，电池内氢压力可达到4.8MPa。电池在贮存和充电工作的条件下，电池罐内氢气必将以一定的漏率向外泄漏，这种泄漏会造成如下影响：

a.在漏率不大的情况下，氢泄漏可造成电池内氢压力减小，当压力小到一定数值，电池寿命结束；

b.当电池的氢泄漏较大时，在某局部空间可能造成氢气积累，致使该空间的氢浓度达到危险值(4％)引起燃烧或爆炸。

为了确保航天器的质量，提高寿命和安全，必须对N_i-H₂蓄电池成品在工作条件下进行氢工质检漏，最终确定产品的密封性能。

国内在某些领域已经开展对氢气的检漏研究，目前市场上广泛出售的氢气检漏仪采用气体传感器，能够检测空气中的氢气浓度，但是气体传感器检测方法的精度远低于质谱法。另外，有些国外进口的捡漏仪可以同时具有氦气和氢气检测功能，但是主要应用的是氦质谱检漏，并不是专门进行氢工质检漏的设备。国内北京中科科仪公司也开发了氢氦质谱检漏仪，可用于吸枪法氢气正压检漏，但其最小可检漏率为1×10^-7Pa·m³/s，其灵敏度不能满足N_i-H₂蓄电池氢工质检漏技术指标的要求。

因此，有必要开展高灵敏度N_i-H₂蓄电池氢工质检漏技术研究，寻求提高检漏灵敏度的技术途径，研制对氢工质检测灵敏的专用检漏系统。

发明内容

本发明的目的是针对N_i-H₂蓄电池发明一种检测灵敏度高、检测结果可靠的专用氢工质泄漏检测系统。

本发明由质谱分析装置和样品检测装置两部分组成。样品检测装置用于为样品的真空检漏提供真空条件，质谱分析装置用于对样品检测装置提供的气体作氢成份检测，并根据标准漏孔校准值确定样品的漏率。质谱分析装置由四极质谱计、冷阴极电离真空计、质谱室、高真空抽气机组组成。样品检测装置由被测样品、检测室、电离真空规、放气阀、标准漏孔、充气阀、氢气袋、预抽机组、检测室抽气机组、插板阀组成。

连接关系：质谱分析装置中，四极质谱计、冷阴极电离真空计、高真空抽气机组均直接和质谱室相连；样品检测装置中，被测样品放在检测室中，电离真空规、放气阀、标准漏孔、充气阀、预抽机组通过检测室的各个接口和检测室筒体相连，检测室抽气机组通过插板阀和检测室的底部连接，氢气袋和充气阀相连。质谱分析装置中的质谱室和样品检测装置中的检测室之间通过高真空角阀连接。

该系统的工作原理如下：

样品以一定的漏率向检测室泄漏氢气，在对检测室抽速恒定的条件下，检测室的氢分压力恒定，其中检测室的气体通过高真空角阀引入到质谱分析系统，氢分压力被四极质谱计测量，通过测量氢离子流强度并根据标准漏孔校准值就可以确定样品的漏率。

检测步骤：

第一步、系统有效最小可检漏率测量

(1)将材料、体积和产品相同的等效样品装入检测室，启动预抽机组对检测室进行抽气，同时在插板阀14关闭的情况下启动检测室抽气机组；

(2)当检测室压力小于10Pa时，关闭预抽机组，打开插板阀，利用检测室抽气机组对检测室进行抽气；

(3)启动高真空抽气机组对质谱室抽气；

(4)当质谱室的压力小于1×10^-3Pa时，启动四极质谱计；

(5)对检测室抽真空30分钟后，打开高真空角阀，关闭插板阀，使系统处于无分流状态；

(6)用四极质谱计测量3分钟后氢本底离子流信号I₀，同时记录噪声离子流信号I_n；

(7)打开充气阀，用氢气袋向标准漏孔施氢，记录2分钟后稳定的离子流信号值I_sp，由公式(1)可以计算出系统有效最小可检漏率Q_emin：

$Q_{e\min }=\frac{I_n}{I_{\mathrm{sp}}-I_0}\×Q_{\mathrm{sp}}---\left(1\right)$

式中：Q_sp—标准漏孔校准值。

第二步、被检样品漏率测量

(1)关闭高真空角阀，打开放气阀对检测室放气；

(2)放入被检样品，启动预抽机组对检测室进行抽气；

(3)当检测室压力小于10Pa时，关闭预抽机组，打开插板阀，利用检测室抽气机组对检测室进行抽气；

(4)对检测室抽真空30分钟后，打开高真空角阀，关闭插板阀，使系统处于无分流状态；

(5)用四极质谱计1检测5分钟后的氢离子流信号I。

(6)当氢离子流输出信号I>I₀时，按公式(2)计算出被检产品的漏率值Q，当氢离子流输出信号I≤I₀时，被检产品的漏率Q＝Q_emin。

$Q=\frac{I-I_0}{I_{\mathrm{sp}}-I_0}\×Q_{\mathrm{sp}}---\left(2\right)$

第三步、系统有效最小可检漏率的复测

(1)关闭高真空角阀，打开放气阀对检测室放气；

(2)重复第一步中的(1)、(2)、(5)～(10)步骤，复测系统的有效最小可检漏率

第四步、数据处理

当Q_emin和

的变化在±10％以内时认为本次检测数据有效，否则无效，重新对被检样品进行测量。

本发明的发明点为：

①建立了一套专用的N_i-H₂蓄电池氢工质检漏系统，将质谱计的定性分析转化成了定量分析，利用质谱分析的方法实现了氢工质泄漏的定量检测。

②系统有效最小可检漏率小于1×10^-8Pa·m³/s，其灵敏度远高于普通氢气检漏仪。

附图说明

图1为本发明的氢工质泄漏检测流程图。

图2为本发明的氢工质泄漏检测系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

如图2所示，本发明由质谱分析装置和样品检测装置两部分组成，二者之间通过高真空角阀4连接。质谱分析装置由四极质谱计1、冷阴极电离真空计2、质谱室3、高真空抽气机组15组成。样品检测装置由被测样品5、检测室6、电离真空规7、放气阀8、标准漏孔9、充气阀10、氢气袋11、预抽机组12、检测室抽气机组13、插板阀14组成。其中，标准漏孔为玻璃-铂丝漏孔，其漏率校准值为5.3×10^-7Pa·m³/s。

实施例一：

第一步、系统有效最小可检漏率测量

(1)将材料、体积和产品相同的等效样品5装入检测室6，启动预抽机组12对检测室6进行抽气，同时在插板阀14关闭的情况下启动检测室抽气机组；

(2)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(3)启动高真空抽气机组15对质谱室3抽气；

(4)当质谱室3的压力为8.62×10^-4Pa时启动四极质谱计1；

(5)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为1.14×10^-4Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(6)用四极质谱计1检测3分钟后氢本底离子流信号I₀＝1.15×10^-8A，同时记录噪声离子流信号I_n＝0.01×10^-8A；

(7)打开充气阀10，用氢气袋11向标准漏孔9施氢，记录2分钟后稳定的离子流信号值I_sp＝1.52×10^-8A，由公式(1)可以计算出系统有效最小可检漏率Q_emin：

$Q_{e\min }=\frac{0.01\&times;{10}^{-8}}{1.52\&times;{10}^{-8}-1.15\&times;{10}^{-8}}\&times;5.3\&times;{10}^{-7}=1.4\&times;{10}^{-8}\mathrm{Pa}\&CenterDot;m^3/s$

第二步、被检样品漏率测量

(1)关闭高真空角阀4，打开放气阀8对检测室6放气；

(2)放入被检样品5，启动预抽机组12对检测室6进行抽气；

(3)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(4)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为1.16×10^-4Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(5)用四极质谱计1检测5分钟后的氢离子流信号I＝1.20×10^-8A；

(6)按公式(2)计算出被检产品的漏率值：

$Q=\frac{1.20\&times;{10}^{-8}-1.15\&times;{10}^{-8}}{1.52\&times;{10}^{-8}-1.15\&times;{10}^{-8}}\&times;5.3\&times;{10}^{-7}=7.2\&times;{10}^{-8}\mathrm{Pa}\&CenterDot;m^3/s$

第三步、系统有效最小可检漏率的复测

(1)关闭高真空角阀，打开放气阀对检测室放气；

(2)将材料、体积和产品相同的等效样品5装入检测室6，启动预抽机组12对检测室6进行抽气；

(3)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(4)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为1.23×10^-4Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(5)用四极质谱计1检测3分钟后氢本底离子流信号I₀＝1.13×10^-8A，同时记录噪声离子流信号I_n＝0.01×10^-8A；

(6)打开充气阀10，用氢气袋11向标准漏孔9施氢，记录2分钟后稳定的离子流信号值I_sp＝1.49×10^-8A，由公式(1)可以计算出系统有效最小可检漏率 $Q_{e\min }^{\&prime;}=1.5\&times;{10}^{-8}\mathrm{Pa}\&CenterDot;m^3/s$ 。

第四步、数据处理

因为 $\frac{2(Q_{e\min }-Q_{e\min }^{\&prime;})}{Q_{e\min }+Q_{e\min }^{\&prime;}}\&times;100\%=6.9\%,$ 小于10％，所以可以认为本次检测数据有效。

被检样品的漏率为7.2×10^-8Pa·m³/s。

实施例二：

第一步、系统有效最小可检漏率测量

(1)将材料、体积和产品相同的等效样品5装入检测室6，启动预抽机组12对检测室6进行抽气，同时在插板阀14关闭的情况下启动检测室抽气机组；

(2)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(3)启动高真空抽气机组15对质谱室3抽气；

(4)当质谱室3的压力为7.85×10^-4Pa时启动四极质谱计1；

(5)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为1.40×10^-3Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(6)用四极质谱计1检测3分钟后氢本底离子流信号I₀＝1.14×10^-8A，同时记录噪声离子流信号I_n＝0.01×10^-8A；

(7)打开充气阀10，用氢气袋11向标准漏孔9施氢，记录2分钟后稳定的离子流信号值I_sp＝1.48×10^-8A，由公式(1)可以计算出系统有效最小可检漏率Q_emin：

$Q_{e\min }=\frac{0.01\&times;{10}^{-8}}{1.48\&times;{10}^{-8}-1.14\&times;{10}^{-8}}\&times;5.3\&times;{10}^{-7}=1.6\&times;{10}^{-8}\mathrm{Pa}\&CenterDot;m^3/s$

第二步、被检样品漏率测量

(1)关闭高真空角阀4，打开放气阀8对检测室6放气；

(2)放入被检样品5，启动预抽机组12对检测室6进行抽气；

(3)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(4)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为4.52×10^-3Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(5)用四极质谱计1检测5分钟后的氢离子流信号I＝1.13×10^-8A；

(6)按公式(2)计算出被检产品的漏率值：

Q＝Q_emin＝1.6×10^-8       Pa·m³/s

第三步、系统有效最小可检漏率的复测

(1)关闭高真空角阀，打开放气阀对检测室放气；

(2)将材料、体积和产品相同的等效样品5装入检测室6，启动预抽机组12对检测室6进行抽气；

(3)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(4)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为1.45×10^-3Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(5)用四极质谱计1检测3分钟后氢本底离子流信号I₀＝1.06×10^-8A，同时记录噪声离子流信号I_n＝0.01×10^-8A；

(6)打开充气阀10，用氢气袋11向标准漏孔9施氢，记录2分钟后稳定的离子流信号值I_sp＝1.41×10^-8A，由公式(1)可以计算出系统有效最小可检漏率 $Q_{e\min }^{\&prime;}=1.5\&times;{10}^{-8}A.$

第四步、数据处理

因为 $\frac{2(Q_{e\min }-Q_{e\min }^{\&prime;})}{Q_{e\min }+Q_{e\min }^{\&prime;}}\&times;100\%=6.5\%,$ 小于10％，所以可以认为本次检测数据有效。

被检样品的漏率为1.6×10^-8Pa·m³/s。

实施例三：

第一步、系统有效最小可检漏率测量

(1)将材料、体积和产品相同的等效样品5装入检测室6，启动预抽机组12对检测室6进行抽气，同时在插板阀14关闭的情况下启动检测室抽气机组；

(2)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(3)启动高真空抽气机组15对质谱室3抽气；

(4)当质谱室3的压力为5.83×10^-4Pa时启动四极质谱计1；

(5)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为2.59×10^-4Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(6)用四极质谱计1检测3分钟后氢本底离子流信号I₀＝8.65×10^-9A，同时记录噪声离子流信号I_n＝0.05×10^-9A；

(7)打开充气阀10，用氢气袋11向标准漏孔9施氢，记录2分钟后稳定的离子流信号值I_sp＝1.27×10^-8A，由公式(1)可以计算出系统有效最小可检漏率Q_emin：

$Q_{e\min }=\frac{0.05\&times;{10}^{-9}}{1.27\&times;{10}^{-8}-8.65\&times;{10}^{-9}}\&times;5.3\&times;{10}^{-7}=6.5\&times;{10}^{-9}\mathrm{Pa}\&CenterDot;m^3/s$

第二步、被检样品漏率测量

(1)关闭高真空角阀4，打开放气阀8对检测室6放气；

(2)放入被检样品5，启动预抽机组12对检测室6进行抽气；

(3)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(4)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为2.04×10^-4Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(5)用四极质谱计1检测5分钟后的氢离子流信号I＝9.10×10^-9A；

(6)按公式(2)计算出被检产品的漏率值：

$Q=\frac{9.10\&times;{10}^{-9}-8.65\&times;{10}^{-9}}{1.27\&times;{10}^{-8}-8.65\&times;{10}^{-9}}\&times;5.3\&times;{10}^{-7}=5.7\&times;{10}^{-8}\mathrm{Pa}\&CenterDot;m^3/s$

第三步、系统有效最小可检漏率的重复测量

(1)关闭高真空角阀，打开放气阀对检测室放气；

(2)将材料、体积和产品相同的等效样品5装入检测室6，启动预抽机组12对检测室6进行抽气；

(3)当检测室6压力<10Pa时，关闭预抽机组12，打开插板阀14，利用检测室抽气机组13对检测室6进行抽气；

(4)对检测室6抽真空30分钟后，其工作压力为1.95×10^-4Pa，打开高真空角阀4，关闭插板阀14，使系统处于无分流状态；

(5)用四极质谱计1检测3分钟后氢本底离子流信号I₀＝9.02×10^-9A，同时记录噪声离子流信号I_n＝0.05×10^-9A；

(6)打开充气阀10，用氢气袋11向标准漏孔9施氢，记录2分钟后稳定的离子流信号值I_sp＝1.28×10^-8A，由公式(1)可以计算出系统有效最小可检漏率 $Q_{e\min }^{\&prime;}=7.0\&times;{10}^{-9}A.$

第四步、数据处理

因为 $\frac{2(Q_{e\min }-Q_{e\min }^{\&prime;})}{Q_{e\min }+Q_{e\min }^{\&prime;}}\&times;100\%=7.4\%,$ 小于10％，所以可以认为本次检测数据有效。

被检样品的漏率为5.7×10^-8Pa·m³/s。

Claims (2)

1、一种N_i-H₂蓄电池氢工质泄漏检测系统，由质谱分析装置和样品检测装置两部分组成，二者之间通过高真空角阀4连接，质谱分析装置由四极质谱计1、冷阴极电离真空计2、质谱室3、高真空抽气机组15组成。样品检测装置由被测样品5、检测室6、电离真空规7、放气阀8、标准漏孔9、充气阀10、氢气袋11、预抽机组12、检测室抽气机组13、插板阀14组成，其特征在于：将质谱计的定性分析转化成了定量分析，针对内部充有一定压力氢气的N_i-H₂蓄电池采用质谱分析方法实现了对氢工质泄漏的定量检测。

2、根据权利要求1所述的一种N_i-H₂蓄电池氢工质泄漏检测系统的主要工作流程，其特征在于：

第一步、系统有效最小可检漏率测量

步骤1：将材料、体积和产品相同的等效样品装入检测室，启动预抽机组对检测室进行抽气，同时在插板阀14关闭的情况下启动检测室抽气机组；

步骤2：当检测室压力小于10Pa时，关闭预抽机组，打开插板阀，利用检测室抽气机组对检测室进行抽气；

步骤3：启动高真空抽气机组对质谱室抽气；

步骤4：当质谱室的压力小于1×10^-3Pa时，启动四极质谱计；

步骤5：对检测室抽真空30分钟后，打开高真空角阀，关闭插板阀，使系统处于无分流状态；

步骤6：用四极质谱计测量3分钟后氢本底离子流信号I₀，同时记录噪声离子流信号I_n；

步骤7：打开充气阀，用氢气袋向标准漏孔施氢，记录2分钟后稳定的离子流信号值I_sp，由公式(1)可以计算出系统有效最小可检漏率Q_e min：

$Q_{e\min }=\frac{I_n}{I_{\mathrm{sp}}-I_0}\&times;Q_{\mathrm{sp}}---\left(1\right)$

式中：Q_sp—标准漏孔校准值；

第二步、被检样品漏率测量

步骤1：关闭高真空角阀，打开放气阀对检测室放气；

步骤2：放入被检样品，启动预抽机组对检测室进行抽气；

步骤3：当检测室压力小于10Pa时，关闭预抽机组，打开插板阀，利用检测室抽气机组对检测室进行抽气；

步骤4：对检测室抽真空30分钟后，打开高真空角阀，关闭插板阀，使系统处于无分流状态；

步骤5：用四极质谱计1检测5分钟后的氢离子流信号I；

步骤6：当氢离子流输出信号I>I₀时，按公式(2)计算出被检产品的漏率值Q，当氢离子流输出信号I≤I₀时，被检产品的漏率Q＝Q_e min；

$Q=\frac{I-I_0}{I_{\mathrm{sp}}-I_0}\&times;Q_{\mathrm{sp}}---\left(2\right)$

第三步、系统有效最小可检漏率的复测

步骤1：关闭高真空角阀，打开放气阀对检测室放气；

步骤2：重复第一步中的步骤1、步骤2、步骤5～步骤10，复测系统的有效最小可检漏率

第四步、数据处理

当Q_e min和

的变化在±10％以内时认为本次检测数据有效，否则无效，重新对被检样品进行测量。

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