CN102478447B - 真空室泄漏空气量在线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空室泄漏空气量在线检测方法，并涉及用于该方法的一种真空室泄漏空气量在线检测装置，属于结构件密封性测试技术领域。该方法是分别计量、读取并换算送入真空室中惰性气体的流量和排出真空室气体的流量，通过质谱仪实时分析和计算取样的排出气体中的惰性气体成分和占排出气体的体积比；根据公式计算出实时空气泄漏量并输出显示。该装置包括设置于真空室进气管上的第一变送器、设置于真空室排气管上的取样管、设置于真空室排气管上的第二变送器、质谱仪和计算显示装置，取样管的输出端连接质谱仪的输入端，流量变送器和质谱仪的信号输出端连接计算显示装置。该方法及装置为指导真空室生产及检修提供了可靠依据。

Description

真空室泄漏空气量在线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于对泄漏进入密闭真空室的空气量进行检测的方法，尤其是对内部气体复杂、真空度不断变化的大型真空室的空气泄漏状态进行实时检测的方法，同时涉及实现该方法的装置，属于结构件密封性测试技术领域。

背景技术

现有的许多工业或实验用密闭真空室在使用中，往往不同程度地存在泄漏，当外界空气进入密闭真空室内后会降低真空室内的真空度，从而影响生产或实验的质量。如果能够及时掌握泄漏进入密闭真空室的空气量，就可以为生产或实验有关人员提供真空室泄漏的真实状态，从而实时指导生产或实验的进行。

比如冶金行业中常用的RH真空炼炉，其结构如图1所示，由吸入和排出钢水的两根浸渍管A1、真空室A2以及真空排气装置A3所组成。处理钢水时，先将两根浸渍管A1浸入到钢包A4中，启动真空排气系统使真空室A2形成真空；接着打开阀门，从进气管1往一个浸渍管A1吹入驱动气体(一般是惰性气体如氩气等)，钢水从该浸渍管A1被吹入真空室内脱气后，从另一个浸渍管A1流回到钢包A4内，如此循环，钢水连续地进行脱气处理。如果RH真空室泄漏进入空气(即RH真空室的真空度降低)，就会影响钢水的脱气效果(即影响钢水的质量)。因此，需要对RH真空室的泄漏状态进行检测。通常情况下对RH真空室泄漏的检测方法是，每隔一段时间停产RH真空炼炉，然后对真空室和管路的密封处进行检查，无法进行在线检测，也就无法实时获得RH真空室的泄漏状态，从而无法实时指导生产和决定何时检修。另外可以想到的检测方法是用真空计或压力检测；但是，对于RH真空炼炉一样连续工作的真空室来说，由于真空室内温度高，钢水脱出来的气体多样、真空室压力处于不断变化的情况下，无法用压力来精确判断泄漏情况。现有常用氦质谱仪进行检漏，是用于检测体积较小结构件的泄漏，无法用于大型真空室泄漏的在线实时检测。因此，对于现有诸如RH真空炼炉的大型真空室来说，迫切需要一种能够在线实时检测泄漏情况的方法和装置。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种能够在线实时检测真空室泄漏空气量的方法，并提出一种实现该方法的装置。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是：一种真空室泄漏空气量在线检测方法，包括以下步骤：

1)实时计量读取送入真空室中惰性气体的第一流量、第一温度和第一压力，将读取的第一流量换算为标准大气压下送入惰性气体流量；

2)实时计量读取真空室排出气体的第二流量、第二温度和第二压力，将读取的第二流量换算为标准大气压下排出气体流量；

3)实时取样真空室排出气体并将取样的排出气体输送给质谱仪，质谱仪实时分析 取样的排出气体中所述惰性气体的成分，并实时计算出标准大气压下排出气体中所述惰性气体占排出气体的体积比；

4)根据公式计算出实时空气泄漏量，Q_漏是实时空气泄漏量，Q _入是标准大气压下送入惰性气体流量，Q_出是标准大气压下排出气体流量，k是标准大气压下排出气体中所述惰性气体占排出气体的体积比，k₀是标准大气压下空气中所述惰性气体占空气的体积比；

5)将所述实时空气泄漏量Q_漏输出并显示。 

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是：一种真空室泄漏空气量在线检测装置，包括设置于真空室进气管上的第一变送器、设置于真空室排气管上的取样管、设置于真空室排气管上的第二变送器、质谱仪和计算显示装置，所述取样管的气体输出端连接质谱仪的气体输入端，所述流量变送器和质谱仪的信号输出端连接计算显示装置的信号输入端。

本发明的真空室泄漏空气量在线检测方法及装置，通过分别计量送入真空室中惰性气体(可以根据实际情况选择合适的一种惰性气体，如氩气或氮气等)的流量和排出真空室的排出气体的流量并根据理想气体状态方程换算为标准大气压下的流量；然后巧妙利用质谱仪取样排出气体，并分析和计算出取样的排出气体中该惰性气体成分和该惰性气体占排出气体的体积比；再根据质量守恒定律，计算出排出气体中该惰性气体与送入真空室中该惰性气体的体积差值，该差值即是泄漏进入真空室的空气所含的该惰性气体体积量；最后根据标准大气压下空气中该惰性气体占空气的体积比，从而计算出任何时间段的实时空气泄漏量。

本发明的有益效果是：相比现有各种真空室泄漏检测方法及装置，本发明提供了一种简单易行、计量精确可靠的全新检测方法及装置，可以实时在线检测真空室内的空气泄漏量；从而相比以往盲目生产和检修，本发明为指导真空室生产及检修提供了可靠依据，使真空室生产及检修更加有的放矢，并极大地降低了检修费用和停产时间。

值得一提的是，本发明的真空室泄漏空气量在线检测方法及装置虽然利用的是公知科学原理，但采用的技术方案在本发明公布之前，在真空室空气泄漏检测领域，尤其是在内部气体复杂、真空度不断变化的大型真空室空气泄漏检测领域，从未见过报道和使用。本发明人确认本发明的真空室泄漏空气量在线检测方法及装置不是事前即可得知的技术方案，从而应否定本发明的事后之明。

上述技术方案之一的完善是：在第1)步中，在真空室的进气管上通过第一变送器实时计量读取送入真空室中惰性气体的第一流量、第一温度和第一压力并将读取的第一流量、第一温度和第一压力传送给计算显示装置，计算显示装置将读取的第一流量根据公式 换算为标准大气压下送入惰性气体流量Q _入 ，Q₁是第一流量，T₁是第一温度，P₁是第一压力；在第2)步中，在真空室的排气管上通过第二变送器实时计量读取排出真空室气体的第二流量、第二温度和第二压力并将读取的第二流量、第二温度和第二压力送给计算显示装置，计算显示装置将读取的第二流量根据公式换算 为标准大气压下排出气体流量Q _出 ，Q₂是第二流量，T₂是第二温度，P₂是第二压力；在第3)步中，在真空室的排气管上通过取样管实时取样排出气体并将取样的排出气体输送给质谱仪；在第4)步中，由计算显示装置6计算出实时空气泄漏量Q _漏 ；在第5)步中，由计算显示装置将所述实时空气泄漏量Q_漏输出并显示。

上述技术方案之一的进一步完善是：所述变送器包括流量变送器、温度变送器和压力变送器，所述质谱仪是英国VG公司生产的PRIMA-δB型号质谱仪。

上述技术方案之二的完善是：所述变送器包括流量变送器、温度变送器和压力变送器，所述质谱仪是英国VG公司生产的PRIMA-δB型号质谱仪。

附图说明

下面结合附图对本发明的真空室泄漏空气量在线检测方法及装置作进一步说明。

图1是现有RH真空炼炉的结构示意图。

图2是本发明实施例真空室泄漏空气量在线检测装置的安装结构示意图。

图3是本发明实施例真空室泄漏空气量在线检测方法及装置中质谱仪的结构原理图。

图4是本发明实施例真空室泄漏空气量在线检测方法及装置具体使用中实时空气泄漏量Q_漏随时间变化的一幅曲线图。

具体实施方式

实施例

本实施例的真空室泄漏空气量在线检测装置以安装在RH真空炼炉为例，其安装结构示意图如图2所示，包括设置于真空室A2进气管1上的第一变送器2、设置于真空室A2排气管3上的取样管7、设置于真空室A2排气管3上的第二变送器4、质谱仪5和计算显示装置6。取样管7的气体输出端连接质谱仪5的气体输入端，第一变送器2、第二变送器4和质谱仪5的信号输出端连接计算显示装置6的信号输入端。变送器包括流量变送器、温度变送器和压力变送器，即：第一变送器2包括第一流量变送器、第一温度变送器和第一压力变送器，第二变送器4包括第二流量变送器、第二温度变送器和第二压力变送器。

本实施例的计算显示装置6可以采用现有任何一种计算机或计算装置，如PC机、单片机、PLC工控机，等等。

本实施例的质谱仪5采用英国VG(VG Instruments)公司生产的PRIMA-δB型号质谱仪，该质谱仪5由预处理系统，离子源，质量过滤器(分析器)，监测器(收集器)，CPU，电源模件，I/O模件等组成。该质谱仪5的工作原理是：首先通过预处理系统对需要进行分析的气体进行去除固体杂质、过滤等预处理，然后在离子光源室内使分子离子化，利用带电粒子在磁场中偏转的原理，这些离子通过磁场并在圆形轨道里偏转遵循下面的公式 M＝某种气体分子质量，e＝一个电子所带的电荷，r＝离子分布扇型半径，B＝磁场强度，V＝加速电压。

实际上加速电压V和离子分布扇型半径r是固定的，因此上述公式可简化成：  $\frac{M}{e}\∝B^2.$

由附图3可知，待分析的排出气体中，不同分子量的气体分子会落在质谱仪5磁场中的不同的部位，在这些部位再布置监测器，用于检测该种分子的数量，通过质谱仪5内部I/O模件和CPU专业软件的分析，可以得到待分析的排出气体中各种介质占待分析的排出气体的体积比，并转换成标准大气压后的体积比。

本实施例的真空室泄漏空气量在线检测装置使用时，先启动真空排气装置A3，使真空室A2形成真空，通过进气管1从一个浸渍管A1吹入氩气(也可以是其他惰性气体，本实施例以氩气为例)；同时启动计算显示装置6。然后开始包括以下步骤的本实施例真空室泄漏空气量在线检测方法：

1)在真空室A2的进气管1上通过第一变送器2实时计量读取送入真空室A2中氩气的第一流量Q₁(由第一流量变送器计量读取)、第一温度T₁(由第一温度变送器计量读取)和第一压力P₁(由第一压力变送器计量读取)，第一变送器2将读取的第一流量Q₁、第一温度T₁和第一压力P₁的信号送给计算显示装置6，计算显示装置6将读取的送入真空室A2中氩气的第一流量Q1换算为标准大气压下送入氩气流量Q _入 ，具体换算是根据理想气体状态方程得出：

2)在真空室A2的排气管3上通过第二变送器4实时计量读取排出真空室A2的排出气体的第二流量Q₂(由第二流量变送器计量读取)、第二温度T₂(由第二温度变送器计量读取)和第二压力P₂(由第二压力变送器计量读取)，第二变送器2将读取的第二流量Q₂、第二温度T₂和第二压力P₂的信号送给计算显示装置6，计算显示装置6将真空室A2的排出气体的第二流量Q₂换算为标准大气压下排出气体流量Q _出 ，与上述具体换算相同，得出： 

3)在真空室A2的排气管3上通过取样管7实时取样排出气体并将取样的排出气体输送给质谱仪5，质谱仪5实时分析取样的排出气体中氩气的成分，并实时计算出标准大气压下排出气体中氩气占排出气体的体积比k；

4)由计算显示装置6根据公式计算出实时空气泄漏量Q _漏 ，k₀是标准大气压下空气中氩气占空气的体积比＝0.93％；

5)计算显示装置6将得到的实时空气泄漏量Q _漏 输出并显示，具体是将得到的每一 实时空气泄漏量Q _漏 绘制成图或表在计算显示装置6上输出和显示。

如图4所示，在实时t1到实时t2的时间段内，真空室A2泄漏稳定；在实时t2到 实时t3时间段内，真空室A2泄漏量微微增大；在实时t3到实时t4时间段内，真空室A2泄漏量明显增大。这样，技术人员根据图4显示，可判断真空室A2泄漏状况的趋势，从而可以有的放矢地指导RH真空炼炉并及时作出检修决定。

本发明的真空室泄漏空气量在线检测方法及装置不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如1)本发明的方法及装置还可以用于其他真空室的泄漏检测；2)质谱仪也可以采用类似英国VG公司PRIMA-δB质谱仪功能的其他牌号质谱仪；等等。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种真空室泄漏空气量在线检测方法，其特征在于:包括以下步骤：

1)实时计量读取送入真空室中惰性气体的第一流量、第一温度和第一压力，将读取的第一流量换算为标准大气压下送入惰性气体流量；

2)实时计量读取真空室排出气体的第二流量、第二温度和第二压力，将读取的第二流量换算为标准大气压下排出气体流量；

3)实时取样真空室排出气体并将取样的排出气体输送给质谱仪，质谱仪实时分析取样的排出气体中所述惰性气体的成分，并实时计算出标准大气压下排出气体中所述惰性气体占排出气体的体积比；

4)根据公式计算出实时空气泄漏量，Q_漏是实时空气泄漏量，Q_入是标准大气压下送入惰性气体流量，Q_出是标准大气压下排出气体流量，k是标准大气压下排出气体中所述惰性气体占排出气体的体积比，k₀是标准大气压下空气中所述惰性气体占空气的体积比；

5)将所述实时空气泄漏量Q_漏输出并显示。

2.根据权利要求1所述真空室泄漏空气量在线检测方法，其特征在于：

在第1)步中，在真空室的进气管上通过第一变送器实时计量读取送入真空室中惰性气体的第一流量、第一温度和第一压力并将读取的第一流量、第一温度和第一压力传送给计算显示装置，计算显示装置将读取的第一流量根据公式换算为标准大气压下送入惰性气体流量Q_入，Q₁是第一流量，T₁是第一温度，P₁是第一压力；

在第2)步中，在真空室的排气管上通过第二变送器实时计量读取排出真空室气体的第二流量、第二温度和第二压力并将读取的第二流量、第二温度和第二压力送给计算显示装置，计算显示装置将读取的第二流量根据公式换算为标准大气压下排出气体流量Q_出，Q₂是第二流量，T₂是第二温度，P₂是第二压力；

在第3)步中，在真空室的排气管上通过取样管实时取样排出气体并将取样的排出气体输送给质谱仪；

在第4)步中，由计算显示装置计算出实时空气泄漏量Q_漏；

在第5)步中，由计算显示装置将所述实时空气泄漏量Q_漏输出并显示。

3.根据权利要求2所述真空室泄漏空气量在线检测方法，其特征在于：所述变送器包括流量变送器、温度变送器和压力变送器，所述质谱仪是英国VG公司生产的PRIMA-δB型号质谱仪。