CN109752135A - 一种密封器件腔体真空度测量装置及测量方法 - Google Patents

一种密封器件腔体真空度测量装置及测量方法 Download PDF

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李得天
陈联
成永军
董猛
郭美如
张虎忠
冯天佑
黄宏
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Abstract

本发明公开了一种密封器件腔体真空度测量装置，包括插板阀B、真空计A、真空计B、测量腔、高真空角阀A、高真空角阀B、抽空腔、高真空泵、隔断阀和低真空泵；被测密封器件放置在测量腔内，测量腔上设有真空计A，测量腔与设有高真空角阀A的管路的一端相连，真空计A用于检测测量腔的真空度；设有高真空角阀A的管路的另一端与抽空腔相连；测量腔和抽空腔还通过管路相连；抽空腔上设有真空计B，用于测量抽空腔的真空度；抽空腔通过设有插板阀B的管路与高真空泵相连；低真空泵通过设有高真空角阀B的管路与抽空腔相连；高真空泵通过设有隔断阀的管路与低真空泵相连，隔断阀用于隔断高真空和低真空区域。

Description

一种密封器件腔体真空度测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及真空测量领域，具体涉及一种密封器件腔体真空度测量装置及测量方法。
背景技术
航天、航空等领域空间用密封器件，如真空电磁阀、真空电子管、空间行波管、微型真空杜瓦等产品，通常需要在特定的真空度下才能正常工作，不合适的腔体真空度会产生低气压放电、影响气体热传导、破坏产品正常工作性能等不利影响。了解和掌握密封器件腔体内部真空度的变化规律对产品的设计者和使用者来说都非常重要，但是航天、航空等空间用密封器件的结构特点和在轨运行的特殊空间环境条件，一方面使得无法在密封器件腔体上直接配置现有的真空用压力传感器；另一方面，由于泄漏、渗透、放气等作用，导致密封器件腔体真空度会随在轨时间和工作温度的变化而变化。因此，采用现有测量手段无法进行有效测量和评价，即空间用密封器件腔体真空度无法原位测量是一个技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种密封器件腔体真空度测量装置及测量方法，能够实现被测密封器件腔体真空度的无损检测。
本发明测量装置的技术方案为：一种密封器件腔体真空度测量装置，包括插板阀B、真空计A、真空计B、测量腔、高真空角阀A、高真空角阀B、抽空腔、高真空泵、隔断阀和低真空泵；
被测密封器件放置在所述测量腔内，所述测量腔上设有真空计A，所述测量腔与设有高真空角阀A的管路的一端相连，所述真空计A用于检测测量腔的真空度；
设有高真空角阀A的管路的另一端与抽空腔相连；
所述测量腔和抽空腔还通过管路相连；
所述抽空腔上设有真空计B，用于测量抽空腔的真空度；
所述抽空腔通过设有插板阀B的管路与高真空泵相连；
所述低真空泵通过设有高真空角阀B的管路与抽空腔相连；
所述高真空泵通过设有隔断阀的管路与低真空泵相连，隔断阀用于隔断高真空和低真空区域。
作为本发明的优选方案，还包括插板阀A，所述插板阀A安装在所述测量腔的进入通道上。
作为本发明的优选方案，所述测量腔和抽空腔的本底漏放气速率均不大于5×10- 8Pa·m3/s。
作为本发明的优选方案，所述测量腔和抽空腔采用球形或圆柱体结构。
作为本发明的优选方案，还包括限流结构，所述测量腔通过设有限流孔的限流结构与抽空腔相连。
作为本发明的优选方案，所述插板阀A的内漏率和外漏率均小于1×10-10Pa·m3/s，通径不小于
作为本发明的优选方案，所述限流孔的流通面积不大于所述测量腔内表面积的0.1％。
本发明测量装置的测量方法的技术方案为：一种密封器件腔体真空度测量装置的测量方法，它使用权利要求2所述的测量装置，包括以下步骤：
步骤一：在被测密封器件未放入测量腔的条件下，关闭插板阀B和隔断阀，打开高真空角阀A、高真空角阀B、真空计A和真空计B，启动低真空泵，对测量腔和抽空腔抽真空；
当真空计A和真空计B显示测量腔和抽空腔压力小于设定值时，关闭高真空角阀B，打开插板阀B和隔断阀，启动高真空泵抽真空；
当真空计A显示测量腔压力小于设定值时，关闭高真空角阀A，记录从此时起设定时间内测量腔内随时间变化的压力曲线pc0(t)：
其中：
pc0-未放被测密封器件条件下测量腔的本底压力值，Pa；
步骤二：关闭插板阀B，打开高真空角阀A，打开测量腔，将测量腔和抽空腔放气至环境大气压力状态；
然后将被测密封器件放入测量腔中，再关闭隔断阀，打开高真空角阀B，启动低真空泵抽真空；
当真空计A和真空计B显示测量腔和抽空腔的压力均小于设定值时，关闭高真空角阀B，打开插板阀B和隔断阀，启动高真空泵抽真空；
当真空计A显示测量腔(3)压力小于设定值或不再降低时，关闭高真空角阀A，记录从此时起设定时间内测量腔内随时间变化的压力曲线pc(t)：
其中：
pc-放入被测密封器件条件下的测量腔的压力值，Pa；
步骤三：计算被测密封器件的等效流导c；
步骤四：根据公式(1)计算被测密封器件的腔体真空值：
式中：
p-被测密封器件的腔体真空值，Pa；
cd-限流结构在分子流状态下的流导值，m3/s。
作为本发明的优选技术方案，当被测密封器件在结构上设计了机械尺寸明确的泄漏通道时，采用真空流导计算公式计算等效流导，当泄漏通道为细长的圆截面时，在分子流状态下的等效流导采用公式(2)计算获得：
式中：
c-被测密封器件的等效流导值，m3/s；
d-细长圆管道直径，m；
L-细长管道长度，m；
T-泄漏气体温度，K；
M-泄漏气体摩尔质量，kg/mol；
当被测密封器件在结构上没有设计泄漏通道时，被测密封器件腔体内部的气体主要通过渗透的方式进入测量腔，依据气体在固体材料中的渗透机理，采用被测密封器件结构中使用的非金属材料引起的泄漏，等效流导采用公式(3)计算获得：
式中：
K-气体对固体材料的渗透系数，m2/s；
A-固体材料气体渗透面积，m2；
d-固体材料气体渗透厚度，m；
当被测密封器件腔体结构不明确，无法采用前两种方法计算等效流导c时，根据被测密封器件腔体等效放气率随时间变化规律计算等效流导，计算公式如下：
式中：
p′c-放入被测密封器件条件下测量腔的压力随时间变化率，Pa/s；
p′c0-未放被测密封器件条件下测量腔的本底压力随时间变化率，Pa/s；
V-被测密封器件的腔体容积，m3。
有益效果：
(1)本发明采用动态流量法和流导分析相结合的间接测量方法，不需要在被测密封器件上设计压力传感器接口，不破坏被测密封器件的原有结构，可以实现无损检测；本发明采用基于动态流量法开展密封器件腔体等效放气率测量，测量下限低、测量不确定度小。
(2)本发明在测量腔的通道上安装插板阀A，可以通过插板阀A的通道任意更换被测密封器件，有利于拓展测量范围。
附图说明
图1为本发明的密封器件腔体真空度测量装置的结构示意图。
其中，1-插板阀A，2-真空计A，3-测量腔，4-被测密封器件，5-限流结构，6-高真空角阀A，7-真空计B，8-抽空腔，9-插板阀B，10-高真空角阀B，11-高真空泵，12-隔断阀，13-低真空泵
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种密封器件腔体真空度测量装置及测量方法，能够实现被测密封器件腔体真空度的无损检测。
如图1所示，该密封器件腔体真空度测量装置包括：插板阀A1、真空计A2，测量腔3，限流结构5、高真空角阀A6、真空计B7，抽空腔8、插板阀B9、高真空角阀B10、高真空泵11、隔断阀12和低真空泵13；其中，高真空泵11可选分子泵，低真空泵13可选机械泵；
被测密封器件4放在测量腔3内部；
测量腔3的进入通道上设置插板阀A1，用于打开测量腔3以更换被测密封器件4；
真空计A2与测量腔3相连，用于检测测量腔3内的真空度；
设置有限流结构5的管路和设置有高真空角阀A6的管路并联后安装在测量腔3和抽空腔8之间，限流结构5上设置限流孔，用于气体从测量腔3进入抽空腔8时，控制测量腔3内气流均匀；
真空计B7与抽空腔8相连，用于测量抽空腔8内的真空度；
抽空腔8通过设置有插板阀B9的管路与高真空泵11相连，用于实现动态流量测量时的高真空侧压力维持；
低真空泵13通过设置有高真空角阀B10的管路安装在抽空腔8和高真空角阀A6之间的管路上，用于抽真空获得测量腔3、抽空腔8的低真空度；
高真空泵11通过设置有隔断阀12的管路安装在高真空角阀B10和低真空泵13之间的管路上；隔断阀12用于隔断高真空和低真空区域；高真空泵11用于测量腔3和抽空腔8获得高真空度；低真空泵13用于获得测量腔3和抽空腔8的低真空度及高真空泵11工作过程中的前级真空度维持；
测量过程中，通过低真空泵13抽真空时，打开高真空角阀A6和高真空角阀B10，测量腔3内的气体经高真空角阀A6和高真空角阀B10进入低真空泵13后被抽出；通过高真空泵11抽真空时，关闭高真空角阀B10，打开插板阀B9和隔断阀12，测量腔3内的气体一部分经限流结构5进入抽空腔8，一部分经高真空角阀A6进入抽空腔8，抽空腔8中的气体再通过插板阀B9进入高真空泵11后被抽出到低真空泵13后排出。
其中，插板阀A1为全金属超高真空阀门，内漏率和外漏率均应小于1×10-10Pa·m3/s，通径不小于测量腔3和抽空腔8按照极高真空系统要求进行设计，本底漏放气速率不大于5×10-8Pa·m3/s；测量腔3和抽空腔8采用球形或圆柱体结构，用于控制测量腔3和抽空腔8内部气流均匀；限流结构5为圆片状结构，流通面积应不大于测量腔3内表面积的0.1％；高真空泵11在测量状态下向抽空腔8提供的有效抽速应不小于限流结构5上限流孔在分子流状态下流导的100倍；低真空泵13工作时，可以在5min内将测量腔3和抽空腔8由环境大气压力抽空至1Pa以下；被测密封器件4为测量对象，可以是完全密封或半密封的真空器件，且存在腔体结构泄漏或材料渗透现象。
该密封器件腔体真空度测量装置的测量方法，其步骤如下：
步骤一：在被测密封器件4未放入测量腔3的条件下，关闭插板阀A1、插板阀B9和隔断阀12，打开高真空角阀A6、高真空角阀B10、真空计A2和真空计B7，启动低真空泵13抽真空，当真空计A2和真空计B7显示测量腔3和抽空腔8压力小于10Pa时，关闭高真空角阀B10，打开插板阀B9和隔断阀12，启动高真空泵11抽真空，当真空计A2显示测量腔3压力小于5×10-5Pa时，关闭高真空角阀A6，从此时起记录测量腔3的压力随时间变化曲线pc0(t)，并采用公式(1)计算测量腔3本底放气率随时间变化值：
Q0(t)＝cdpc0(t) (1)
式中：
Q0-未放被测密封器件4条件下的测量腔3的本底放气率，Pa·m3/s；
cd-限流结构5在分子流状态下的流导值，m3/s；
pc0-未放被测密封器件4条件下测量腔3的本底压力值，Pa。
步骤二：关闭插板阀B9，打开高真空角阀A6和插板阀A1，将测量腔3和抽空腔8放气至环境大气压力状态，然后将被测密封器件4经插板阀A1的通道放入测量腔3中，再关闭隔断阀12，打开高真空角阀B10，启动低真空泵13抽真空，当真空计A2和真空计B7显示测量腔3和抽空腔8的压力均小于10Pa时，关闭高真空角阀B10，打开插板阀B9和隔断阀12，启动高真空泵11抽真空，当真空计A2显示测量腔3压力小于5×10-3Pa或无明显降低时，关闭高真空角阀A6，从此时起记录测量腔3压力随时间变化曲线pc(t)，采用公式(2)计算放入被测密封器件4的条件下的测量腔3的漏放气速率随时间变化值：
Qc(t)＝cdpc(t) (2)
式中：
Qc-放入被测密封器件4条件下的测量腔3放气率，Pa·m3/s；
pc-放入被测密封器件4条件下的测量腔的压力值，Pa。
步骤三：采用公式(3)计算被测密封器件4的等效放气率随时间变化曲线：
Q(t)＝Qc(t)-Q0(t) (3)
式中：
Q-被测密封器件4的等效放气率，Pa·m3/s。
步骤四：依据被测密封器件4的结构尺寸和材料种类，计算被测密封器件的等效流导c，具体可根据被测密封器件4的特点，从如下三种方法中选取一种或其组合进行计算：
(a)当被测密封器件4在结构上设计了机械尺寸明确的泄漏通道时，可以采用真空流导计算公式计算等效流导，例如，对于细长的圆截面管道泄漏，在分子流状态下的等效流导可以采用公式(4)计算获得：
式中：
c-被测密封器件4的等效流导值，m3/s；
d-细长圆管道直径，m；
L-细长管道长度，m；
T-泄漏气体温度，K；
M-泄漏气体摩尔质量，kg/mol。
(b)当被测密封器件4在结构上没有设计泄漏通道时，被测密封器件4腔体内部的气体主要通过渗透的方式进入测量腔3，依据气体在固体材料中的渗透机理，非金属材料的渗透系数要明显大于金属材料的渗透系数，可以重点考虑被测密封器件4结构中使用的非金属材料引起的泄漏，等效流导可以采用公式(5)计算获得：
式中：
K-气体对固体材料的渗透系数，m2/s；
A-固体材料气体渗透面积，m2；
d-固体材料气体渗透厚度，m。
(c)当被测密封器件4腔体结构不明确，无法采用(b)和(c)中给出的方法进行等效流导计算时，可以根据被测密封器件4腔体等效放气率随时间变化规律计算等效流导，计算公式如下：
式中：
p′c-放入被测密封器件4条件下测量腔3的压力随时间变化率，Pa/s；
p′c0-未放被测密封器件4条件下测量腔3的本底压力随时间变化率，Pa/s；
V-被测密封器件4的腔体容积，m3。
步骤五：根据公式(1)-(3)得到公式(7)，如下：
Q(t)＝Qc(t)-Q0(t)＝cd[pc(t)-pc0(t)] (7)
又因为：
Q(t)＝c[p(t)-pc(t)] (8)
将公式(7)和(8)结合得到公式(9)，依据公式(9)计算被测密封器件4的腔体真空值：
式中：
p-被测密封器件4的腔体真空值，Pa。
其中，所述步骤一中的测量腔3的压力应小于5×10-5Pa，所述步骤二中的测量腔3的压力应小于5×10-3Pa，所述步骤五中的被测密封器件4的真空范围为：5×10-1～5×104Pa。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种密封器件腔体真空度测量装置，其特征在于，包括插板阀B(9)、真空计A(2)、真空计B(7)、测量腔(3)、高真空角阀A(6)、高真空角阀B(10)、抽空腔(8)、高真空泵(11)、隔断阀(12)和低真空泵(13)；
被测密封器件(4)放置在所述测量腔(3)内，所述测量腔(3)上设有真空计A(2)，所述测量腔(3)与设有高真空角阀A(6)的管路的一端相连，所述真空计A(2)用于检测测量腔(3)的真空度；
设有高真空角阀A(6)的管路的另一端与抽空腔(8)相连；
所述测量腔(3)和抽空腔(8)还通过管路相连；
所述抽空腔(8)上设有真空计B(7)，用于测量抽空腔(8)的真空度；
所述抽空腔(8)通过设有插板阀B(9)的管路与高真空泵(11)相连；
所述低真空泵(13)通过设有高真空角阀B(10)的管路与抽空腔(8)相连；
所述高真空泵(11)通过设有隔断阀(12)的管路与低真空泵(13)相连，隔断阀(12)用于隔断高真空和低真空区域。
2.如权利要求1所述的密封器件腔体真空度测量装置，其特征在于，还包括插板阀A(1)，所述插板阀A(1)安装在所述测量腔(3)的进入通道上。
3.如权利要求1所述的密封器件腔体真空度测量装置，其特征在于，所述测量腔(3)和抽空腔(8)的本底漏放气速率均不大于5×10-8Pa·m3/s。
4.如权利要求1所述的密封器件腔体真空度测量装置，其特征在于，所述测量腔(3)和抽空腔(8)采用球形或圆柱体结构。
5.如权利要求1所述的密封器件腔体真空度测量装置，其特征在于，还包括限流结构(5)，所述测量腔(3)通过设有限流结构(5)的管路与抽空腔(8)相连；限流结构(5)上设置限流孔。
6.如权利要求2所述的密封器件腔体真空度测量装置，其特征在于，所述插板阀A(1)的内漏率和外漏率均小于1×10-10Pa·m3/s，通径不小于
7.如权利要求5所述的密封器件腔体真空度测量装置，其特征在于，所述限流孔的流通面积不大于所述测量腔(3)内表面积的0.1％。
8.一种密封器件腔体真空度测量装置的测量方法，它使用权利要求1所述的测量装置，包括以下步骤：
步骤一：在被测密封器件(4)未放入测量腔(3)的条件下，关闭插板阀B(9)和隔断阀(12)，打开高真空角阀A(6)、高真空角阀B(10)、真空计A(2)和真空计B(7)，启动低真空泵(13)，对测量腔(3)和抽空腔(8)抽真空；
当真空计A(2)和真空计B(7)显示测量腔(3)和抽空腔(8)压力小于设定值时，关闭高真空角阀B(10)，打开插板阀B(9)和隔断阀(12)，启动高真空泵(11)，对测量腔(3)和抽空腔(8)抽真空；
当真空计A(2)显示测量腔(3)压力小于设定值时，关闭高真空角阀A(6)，记录从此时起设定时间内测量腔(3)内随时间变化的压力曲线pc0(t)：
其中：
pc0-未放被测密封器件(4)条件下测量腔(3)的本底压力值，Pa；
步骤二：关闭插板阀B(9)，打开高真空角阀A(6)，打开测量腔(3)，将测量腔(3)和抽空腔(8)放气至环境大气压力状态；
然后将被测密封器件(4)放入测量腔(3)中，再关闭隔断阀(12)，打开高真空角阀B(10)，启动低真空泵(13)抽真空；
当真空计A(2)和真空计B(7)显示测量腔(3)和抽空腔(8)的压力均小于设定值时，关闭高真空角阀B(10)，打开插板阀B(9)和隔断阀(12)，启动高真空泵(11)对测量腔(3)和抽空腔(8)抽真空；
当真空计A(2)显示测量腔(3)压力小于设定值或不再降低时，关闭高真空角阀A(6)，记录从此时起设定时间内测量腔(3)随时间的压力变化曲线pc(t)：
其中：
pc-放入被测密封器件(4)条件下的测量腔(3)的压力值，Pa；
步骤三：计算被测密封器件(4)的等效流导c；
步骤四：根据公式(1)计算被测密封器件(4)的腔体真空值：
式中：
p-被测密封器件(4)的腔体真空值，Pa；
cd-限流结构(5)在分子流状态下的流导值，m3/s。
9.如权利要求8所述的密封器件腔体真空度测量装置的测量方法，其特征在于，
当被测密封器件(4)在结构上设计了机械尺寸明确的泄漏通道时，采用真空流导计算公式计算等效流导，当泄漏通道为细长的圆截面时，在分子流状态下的等效流导采用公式(2)计算获得：
式中：
c-被测密封器件(4)的等效流导值，m3/s；
d-细长圆管道直径，m；
L-细长管道长度，m；
T-泄漏气体温度，K；
M-泄漏气体摩尔质量，kg/mol；
当被测密封器件(4)在结构上没有设计泄漏通道时，被测密封器件(4)腔体内部的气体主要通过渗透的方式进入测量腔(3)，依据气体在固体材料中的渗透机理，采用被测密封器件(4)结构中使用的非金属材料引起的泄漏，等效流导采用公式(3)计算获得：
式中：
K-气体对固体材料的渗透系数，m2/s；
A-固体材料气体渗透面积，m2；
d-固体材料气体渗透厚度，m；
当被测密封器件(4)腔体结构不明确，无法采用前两种方法计算等效流导c时，根据被测密封器件(4)腔体等效放气率随时间变化规律计算等效流导，计算公式如下：
式中：
p′c-放入被测密封器件(4)条件下测量腔(3)的压力随时间变化率，Pa/s；
p′c0-未放被测密封器件(4)条件下测量腔(3)的本底压力随时间变化率，Pa/s；
V-被测密封器件(4)的腔体容积，m3。
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