CN112484942A - 一种小容积容器的漏率测量方法及系统 - Google Patents

一种小容积容器的漏率测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小容积容器的漏率测量方法及系统，属于容器漏率测量技术领域，解决了现有技术中无法实现小容积容器漏率精确测量的问题。该包括如下步骤：测量管路和被测容器的容积；控制管路中的起始压力为压力初始值，连续采集管路中压力随时间的变化值；拟合管路中压力随时间的变化曲线，并基于管路的容积，得到管路的漏率常数；连接管路和所述被测容器形成组合容器；控制组合容器中的起始压力为所述压力初始值，连续采集组合容器中压力随时间的变化值；拟合组合容器中压力随时间的变化曲线，并基于管路的漏率常数和容积以及所述被测容器的容积，得到被测容器的漏率常数；基于被测容器的漏率常数，测量被测容器的漏率。

Description

一种小容积容器的漏率测量方法及系统
技术领域
本发明涉及容器漏率测量技术领域，尤其涉及一种小容积容器的漏率测量方法及系统。
背景技术
相变热控组件用于为电子元器件散热，使用过程中，在变相热控组件冷板端的冷流道中注入冷却水，通过热交换的方式及时带走电子元器件散热模块中的热量。因此，变相热控组件中的冷流道必须具有良好的密封性能，严禁工作过程中发生因冷却水泄露对相变材料、电子元器件等造成损害。因此，相变热控组件加工完成后，需要对其冷流道的漏率(即密封性能)进行检测，只有当密封性能满足规定的指标后，才能交付产品。
冷流道是由相变热控组件的上、下两瓣结构焊接形成的，是不可拆卸的，因此，对冷流道进行漏率检测时，需要把变相热控组件作为一个整体进行检测。冷流道的容积很小，约为5ml左右。测量该类型容器密封性能的方法包括氦质谱检漏法和正压压降法。
氦质谱检漏法需要专门的检测设备——氦质谱测试仪，在检测过程中，需要把被测容器放置在一个大的密闭容器中，向被测容器中充入一定压力的氦气后，测量通过被测容器壁面渗漏到大的密闭容器中的氦原子的浓度变化来计算被测容器的漏率。但是，由于相变热控组件中的冷流道盘在相变材料内部，而相变材料又封装在一层铝合金外壳中，当直接把变相热控组件放置在氦质谱漏率检测容器中进行测试时，测得的是氦原子通过冷流道、相变材料及封装壳之后的整体泄露效果，而不是冷流道自身的漏率。正压压降法的原理是：在被测对象中充入一定压力的气体，然后记录Δt时间后容器内气体压力的下降值Δp，根据公式Δp·v/Δt(v表示被测容器的容积)计算容器的漏率。采用该方法时，一般认为被测容器的容积都很大，这样可以忽略连接容器的测量管路自身漏率的影响。但是，针对5ml左右的冷流道而言，利用正压压降法进行漏率测量时，用于连接容器和压力表、容器和气源之间的管路的容积都可以达到ml的量级，此时，测试管路及阀门自身的漏率可能会对测量结果造成显著影响。
综上所述，氦质谱检漏法需要专门的氦质谱检测仪，且针对相变热控组件的特殊结构，其测量结果不是冷流道自身的真实漏率，不适合于冷流道的漏率测试。而采用常规的正压压降法进行漏率测量时，由于未考虑管路泄露等对小容积容器的影响，会引入较大误差。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种小容积容器的漏率测量方法及系统，用以解决现有技术中无法实现小容积容器漏率精确测量的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种小容积容器的漏率测量方法，包括如下步骤：
测量管路和被测容器的容积；
控制所述管路中的起始压力为压力初始值，连续采集管路中压力随时间的变化值；拟合管路中压力随时间的变化曲线，并基于所述管路的容积，得到所述管路的漏率常数；
连接所述管路和所述被测容器形成组合容器；控制所述组合容器中的起始压力为所述压力初始值，连续采集所述组合容器中压力随时间的变化值；拟合所述组合容器中压力随时间的变化曲线，并基于所述管路的漏率常数和容积以及所述被测容器的容积，得到被测容器的漏率常数；
基于所述被测容器的漏率常数，测量所述被测容器的漏率。
在上述方案的基础上，本发明还做出了以下改进：
进一步，基于
Figure BDA0002808451610000031
的函数形式，拟合所述管路中压力随时间的变化曲线，得到管路的漏率常数k0；其中，p0表示压力初始值，v0表示所述管路的容积，t表示时间。
进一步，基于
Figure BDA0002808451610000032
的函数形式，拟合所述组合容器中压力随时间的变化曲线，得到被测容器的漏率常数k1；其中，v1表示所述被测容器的容积。
进一步，压力为p、容积为v1的被测容器的漏率为：
w1＝k1·p。
进一步，采用注水称重法测量所述管路和所述被测容器的容积。
进一步，所述控制管路中的起始压力为压力初始值，包括：向所述管路中充入压力为所述压力初始值的气体；
所述控制组合容器中的起始压力为压力初始值，包括：向所述组合容器中充入压力为所述压力初始值的气体。
另一方面，本发明实施例提供了一种小容积容器的漏率测量系统，所述系统包括依次连接的高压氮气瓶、减压阀、针阀、管路(6)；还包括压力计(4)、数据处理模块(5)；其中，
所述压力计(4)，用于当所述管路(6)未与被测容器(7)连接时，采集所述管路(6)中的压力随时间的变化值；还用于当所述管路(6)和所述被测容器(7)连接形成组合容器时，采集所述组合容器中的压力随时间的变化值；
所述数据处理模块(5)，用于拟合所述管路(6)中的压力随时间的变化曲线，得到所述管路(6)的漏率常数；还用于拟合所述组合容器中的压力随时间的变化曲线，得到所述被测容器(7)的漏率常数；还基于所述被测容器(7)的漏率常数，测量所述被测容器(7)在任意压力下的漏率。
进一步，所述针阀包括第一针阀(1)、第二针阀(2)、第三针阀(3)；其中，所述第一针阀(1)第三和针阀(3)串接在所述减压阀和所述管路(6)之间，所述第二针阀(2)的一端连接在所述第一针阀(1)和第三针阀(3)之间的管道上，所述第二针阀(2)的另一端闭合。
进一步，所述压力计(4)为正压压力计。
进一步，所述被测容器(7)为相变热控组件中的冷流道。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
本发明所建立的针对小容积容器的漏率测量方法及系统，能够通过改进常规的正压压降检测系统的测试步骤，实现小容积容器漏率的精确测量。本发明在实施过程中，先测试连接管路的漏率，然后利用修正算法计算被测容器的漏率，有效提高了测试精度，且有效解决了某型号相变材料热控组件冷流道密封性能(即漏率)的检测需求。
此外，本发明中小容积容器的漏率测量系统，设备结构简单，成本很低，具有良好的实用价值和推广价值。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中管路泄露模型结构示意图；
图2为本发明实施例中管路连接到密闭容器的模型结构示意图；
图3为本发明实施例中管路和被测容器组合的渗漏模型结构示意图；
图4为本发明实施例1中的小容积容器的漏率测量方法流程图；
图5(a)为本发明实施例2中的未放置被测容器时的小容积容器的漏率测量系统结构示意图；
图5(b)为本发明实施例2中的放置被测容器时的小容积容器的漏率测量系统结构示意图；
图6为本发明实施例3中管路、管路和被测容器的压力随时间的变化曲线；
附图标记：
1-第一针阀；2-第二针阀；3-第三针阀；4-压力传感器；5-数据处理模块；6-管路；7-被测容器。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本实施例中，基于现有的正压压降法开展工作。考虑到管路自身漏率对小容积容器的影响，本实施例建立了漏率测试模型，提出了对管路漏率的修正方法，从而实现小容积容器的漏率测试。
本实施例中建立的漏率测试模型，包括管路泄露模型(如图1所示)、管路连接到密闭容器的模型(如图2所示)、管路和被测容器组合的渗漏模型(如图3所示)。
正压压降法测量系统中，假设用于连接被测容器的管路容积为v0，则管路的漏率为w0 Pa.m3/s。为便于分析，在测量过程中，可以将管路壁面总的泄露集中简化成为一个漏气阀门，该阀门位于管路的左下方，见图1。
在压力容器中，当流体为非稠密流体时，一般认为流体在容器中的漏率和容器内的压力成正比。因此，管路的漏率w0：
w0＝k0·p (1)
其中，k0为管路的漏率常数(即漏率与压力的比值)，p为容器中的压力。对一个固定的漏气阀门，k0为固定值。
在实际测量过程中，假设管路中的初始压力为p0。在经历一段微小的时间Δt后，管路中的气体变化量为
w0·Δt＝-v0·(p-p0)＝-v0·Δp (2)
把式(1)带入式(2)后整理可得：
Figure BDA0002808451610000061
当时间增量Δt取无限小时，上式改写成微分形式：
Figure BDA0002808451610000071
对该式进行不定积分运算后可得：
Figure BDA0002808451610000072
因此，公式(3)即为管路中发生泄漏时内部压力随时间变化的函数关系，其随时间是呈现指数衰减的，这符合压力容器中压力变化的一般规律。
下面假设把管路连接到一个容积为v1、且完全不泄露的容器上，如图2所示。此时，由于管路自身未发生变化，可以认为管路的漏率仍为w0Pa.m3/s，即公式(1)依然成立。假设管路中的初始压力为p0，经过时间Δt后，管路中的气体变化量为：
k0p·Δt＝-(v0+v1)·(p-p0)＝-(v0+v1)·Δp
整理该式并积分处理后可得
Figure BDA0002808451610000073
对比公式(3)、(4)可以看出，在管路自身漏率不变情况下，接入完全密闭的容器v1之后，由于整个压力腔的容积增大，容器内总的气体含量增大，所以容器内的压力衰减速率将会减少，其衰减速率和容积v1相关。
如果被测容器自身也有漏率，此时，把被测容器的漏率也集中到一个泄露阀门上，位于容器的右下方，如图3所示。
假设被测容器的漏率为w1 Pa.m3/s，满足如下关系：
w1＝k1·p
其中，k1为被测容器的漏率常数；
向管路和被测容器中充入压力为p0的气体，经过时间Δt后，管路和被测容器中的气体变化量则为：
(k0+k1)p·Δt＝-(v0+v1)·(p-p0)＝-(v0+v1)·Δp
整理该式并进行积分可得到
Figure BDA0002808451610000081
公式(5)就是当管路和被测容器都存在泄露时，整个测试系统中压力随时间的指数衰减函数。当管路的容积v0、漏率常数k0都很小时，整个测试系统中压力衰减速率只和被测容器自身的容积v1、漏率常数k1有关，此时，公式(5)可退化为公式(6)。
Figure BDA0002808451610000082
对公式(6)进行微分后并整理可得到
Figure BDA0002808451610000083
而当管路的容积v0与被测容器的容积v1接近、或者管路的漏率常数k0与被测容器的漏率常数k1比较接近时，整个测试系统中的压力由公式(5)决定，此时，管路的影响不能够忽略，必须进行修正。
基于以上理论分析，形成了本实施例中的小容积容器的漏率测量方法及系统，介绍如下：
实施例1
本发明的具体实施例1，公开了一种小容积容器的漏率测量方法，流程图如图4所示，包括如下步骤：
步骤S1：测量管路和被测容器的容积；其中，管路的容积为v0，被测容器的容积为v1；优选地，采用注水称重法测量得到管路和被测容器的容积；需要说明的是，被测容器的容积优选范围为5-10ml；
步骤S2：控制管路中的起始压力为压力初始值，连续采集管路中压力随时间的变化曲线，直至管路中的压力降低至压力结束值；拟合管路中压力随时间的变化曲线，并基于所述管路的容积，得到所述管路的漏率常数；
优选地，可以基于
Figure BDA0002808451610000091
的函数形式拟合管路中压力随时间的变化曲线，得到管路的漏率常数k0；其中，p0表示压力初始值。
优选地，所述控制管路中的起始压力为压力初始值，包括：向所述管路中充入压力为所述压力初始值的气体；
步骤S3：连接管路和被测容器形成组合容器；控制所述组合容器中的起始压力为所述压力初始值，连续采集所述组合容器中压力随时间的变化值；拟合所述组合容器中压力随时间的变化曲线，并基于所述管路的漏率常数和容积以及所述被测容器的容积，得到被测容器的漏率常数；
优选地，可以基于
Figure BDA0002808451610000092
的函数形式拟合管路和被测容器中压力随时间的变化曲线，并基于管路的漏率常数k0，得到被测容器的漏率常数k1；
优选地，所述控制组合容器中的起始压力为压力初始值，包括：向所述管路和被测容器中充入压力为所述压力初始值的气体。
步骤S4：基于被测容器的漏率常数，测量其在任意压力下的漏率。
压力为p、容积为v1的被测容器的漏率为w1＝k1·p，单位为Pa.m3/s。
这样就可以得到任意压力p下被测容器的漏率。
实施例2
本发明的具体实施例2，公开了一种小容积容器的漏率测量系统，该测量系统对应于实施例1中的小容积容器的漏率测量方法，结构示意图如图5所示，所述系统包括依次连接的高压氮气瓶、减压阀、针阀、管路；还包括压力传感器4、数据处理模块5；其中，所述压力传感器4，用于当所述管路6未与被测容器7连接时，采集所述管路6中的压力随时间的变化值；还用于当所述管路6和所述被测容器7连接形成组合容器时，采集所述组合容器中的压力随时间的变化值；所述数据处理模块5，用于拟合所述管路6中的压力随时间的变化曲线，得到所述管路6的漏率常数；还用于拟合所述组合容器中的压力随时间的变化曲线，得到所述被测容器7的漏率常数；还基于所述被测容器7的漏率常数，测量所述被测容器7在任意压力下的漏率。
优选地，针阀包括第一针阀1、第二针阀2、第三针阀3，其中，第一针阀1和第三针阀3串接在减压阀和管路之间，第二针阀2的一端连接在第一针阀1和第三针阀3之间的管道上，第二针阀2的另一端闭合，用于调节管路中的气压至压力初始值。
如图5(a)所示，实施过程中，先关闭第二针阀2，高压氮气瓶的压缩气体经过减压阀减压后流经第一针阀1和第三针阀3，然后进入管路6，令管路内的压力达到压力初始值。管路6的另一端连接正压压力传感器4，可实时显示管路内的压力值。如果管路6内的压力超过预设值压力初始值，可以关闭第一针阀1和第三针阀3，打开第二针阀2，然后微微打开第三针阀3来排气，令多余气体通过第三针阀3和第二针阀2排除。当管路6中的压力值下降到压力初始值时，迅速关闭第三针阀3，此时管路6(含与第三针阀3的连接处、与压力传感器4的连接处)的漏率测试试验开始，将压力传感器4读取的实时压力值发送至数据处理模块，当压力降低到压力结束值时测试结束，打开第三针阀3排除管路内部的残余气体。通过执行以上操作，数据处理模块能够得到管路中压力随时间的变化曲线，通过拟合管路中压力随时间的变化曲线，即可获取管路的漏率常数；
当测量被测容器的漏率常数时，将被测容器7连入管路6和压力传感器4之间，参照测量管路6漏率测试的操作步骤进行充气和压力测试，数据处理模块能够得到管路6和被测容器7共同构成的容器的压力随时间变化曲线，通过拟合管路和被测容器中压力随时间的变化曲线，即得到被测容器的漏率常数。
在实际的测试系统中，针阀1、2和3均采用接口为1/8英寸的不锈钢针阀。管路6为外径1/8英寸、内径1/16英寸的黄铜管。压力传感器选择正压压力传感器，型号为CYYZ11，测量范围0～4MPa，分辨率2000Pa，压力传感器通过RS485通讯接口与计算机连接。测试系统中，用注水称重法测量得到管路6(含与第三针阀3、压力传感器4接头)的容积为0.5ml，被测容器相变热控组件冷流道容积为5.0ml。
优选地，在小容积容器的漏率测量系统中，数据处理模块需要连续记录时间和压力值进行曲线拟合，才能再进一步计算获得漏率。为了数据采集和处理的自动化，本实施例通过LABVIEW程序编写了漏率试验的控制程序。利用这个软件，可以方便地实现压力、时间数据的连续采集、记录和显示，以及后期的数据处理。
本发明系统实施例的具体实施过程参见上述方法实施例即可，本实施例在此不再赘述。由于本系统实施例与上述方法实施例原理相同，所以本系统也具有上述方法实施例相应的技术效果。
本发明所建立的针对小容积容器的漏率测量方法及系统，能够通过改进常规的正压压降检测系统的测试步骤，实现小容积容器漏率的精确测量。本发明在实施过程中，先测试连接管路的漏率，然后利用修正算法计算被测容器的漏率，有效提高了测试精度，且有效解决了某型号相变材料热控组件冷流道密封性能(即漏率)的检测需求。
此外，本发明中小容积容器的漏率测量系统，设备结构简单，成本很低，具有良好的实用价值和推广价值。
实施例3
本发明的具体实施例3，公开了一种小容积容器的漏率测量方法，用于验证上述实施例1和实施例2的有效性。
测量过程中，先用注水称重法得到了连接管路、被测容器的容积，其中，管路的容积为0.5ml，被测容器的容积为5ml。然后向管路中充入氮气，起始的压力值为1.988MPa，压力降至1.184MPa时测试结束，测试总时间约为89467s。把被测容器连入管路中，充入氮气到相同的初始压力值，然后也降低到1.184MPa，耗时约132548s。记录两次的压力变化曲线，如图6所示。
从图6中可以看出，两次测试都从相同的初始压力开始，但是由于管路自身的容积较小，内部的气体总量很少，当对管路进行压力测试时，其压力衰减得比较快。而连接上被测容器后，两者的容积较大，因此压力衰减较慢。
对图6中的两条曲线按照p＝p0·e-At的函数形式进行曲线拟合，得到管路、管路和被测容器的拟合参数分别为：
A0＝4.21262×10-6s-1，标准偏差为2.08861×10-9；
A1＝6.28293×10-6s-1，标准偏差为4.58111×10-9。
两个拟合参数的标准偏差在10-9的量级上，表明压力下降曲线按照指数衰减函数进行拟合是合理的，同时表明上述推导得到的管路、容器的压力模型也是合理的。
由
Figure BDA0002808451610000131
可以求得管路和被测容器的漏率常数分别为k0＝2.10631×10-6ml/s，
k1＝32.45×10-6ml/s。
如果不考虑管路的容积和自身漏率的影响，直接按照
Figure BDA0002808451610000132
的公式求解被测容器的漏率常数，则得到的数值为：
k1′＝31.41×10-6ml/s
k1和k1′两者的偏差为3.1％，也就是说如果不考虑管路自身的容积和漏率的影响，将会对被测容器的漏率常数计算造成3.1％的偏差。
当求得小容积容器的漏率常数k1后，就可以进一步求得容器的漏率值。由于容器的漏率是和容器内的压力相关的，一般计算漏率时都需要给出具体的压力条件，例如在本实施例提供的试验中，容积为5ml的冷流道的漏率常数为32.45×10-6ml/s，冷流道在1.9MPa的压力条件下的漏率为6.17×10-5Pa.m3/s。
本实施例从正压压降法测试模型入手，建立了考虑连接管路自身容积和漏率影响的压力衰减模型，在此基础上发展了正压压降修正算法，确定了测试装置和操作步骤，编写数据采集及处理程序，然后搭建实验装置开展了测试试验，测试得到冷流道的漏率常数为32.45×10-6ml/s，容器在1.9MPa的压力条件下的漏率为6.17×10-5Pa.m3/s。如果不考虑测量系统中连接管路自身容积和漏率的影响，将会对测试结果造成3.1％的测量误差。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小容积容器的漏率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
测量管路和被测容器的容积；
控制所述管路中的起始压力为压力初始值，连续采集管路中压力随时间的变化值；拟合管路中压力随时间的变化曲线，并基于所述管路的容积，得到所述管路的漏率常数；
连接所述管路和所述被测容器形成组合容器；控制所述组合容器中的起始压力为所述压力初始值，连续采集所述组合容器中压力随时间的变化值；拟合所述组合容器中压力随时间的变化曲线，并基于所述管路的漏率常数和容积以及所述被测容器的容积，得到被测容器的漏率常数；
基于所述被测容器的漏率常数，测量所述被测容器的漏率。
2.根据权利要求1所述的小容积容器的漏率测量方法，其特征在于，
基于
Figure FDA0002808451600000011
的函数形式，拟合所述管路中压力随时间的变化曲线，得到管路的漏率常数k0；其中，p0表示压力初始值，v0表示所述管路的容积，t表示时间。
3.根据权利要求2所述的小容积容器的漏率测量方法，其特征在于，
基于
Figure FDA0002808451600000012
的函数形式，拟合所述组合容器中压力随时间的变化曲线，得到被测容器的漏率常数k1；其中，v1表示所述被测容器的容积。
4.根据权利要求3所述的小容积容器的漏率测量方法，其特征在于，压力为p、容积为v1的被测容器的漏率为：
w1＝k1·p。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的小容积容器的漏率测量方法，其特征在于，采用注水称重法测量所述管路和所述被测容器的容积。
6.根据权利要求1所述的小容积容器的漏率测量方法，其特征在于，
所述控制管路中的起始压力为压力初始值，包括：向所述管路中充入压力为所述压力初始值的气体；
所述控制组合容器中的起始压力为压力初始值，包括：向所述组合容器中充入压力为所述压力初始值的气体。
7.一种小容积容器的漏率测量系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的高压氮气瓶、减压阀、针阀、管路(6)；还包括压力传感器(4)、数据处理模块(5)；其中，
所述压力传感器(4)，用于当所述管路(6)未与被测容器(7)连接时，采集所述管路(6)中的压力随时间的变化值；还用于当所述管路(6)和所述被测容器(7)连接形成组合容器时，采集所述组合容器中的压力随时间的变化值；
所述数据处理模块(5)，用于拟合所述管路(6)中的压力随时间的变化曲线，得到所述管路(6)的漏率常数；还用于拟合所述组合容器中的压力随时间的变化曲线，得到所述被测容器(7)的漏率常数；还基于所述被测容器(7)的漏率常数，测量所述被测容器(7)在任意压力下的漏率。
8.根据权利要求7所述的小容积容器的漏率测量系统，其特征在于，所述针阀包括第一针阀(1)、第二针阀(2)、第三针阀(3)；其中，所述第一针阀(1)第三和针阀(3)串接在所述减压阀和所述管路(6)之间，所述第二针阀(2)的一端连接在所述第一针阀(1)和第三针阀(3)之间的管道上，所述第二针阀(2)的另一端闭合。
9.根据权利要求7所述的小容积容器的漏率测量系统，其特征在于，所述压力传感器(4)为正压压力传感器。
10.根据权利要求7所述的小容积容器的漏率测量系统，其特征在于，所述被测容器(7)为相变热控组件中的冷流道。
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