CN115597798B - 一种基于光学干涉法的真空检漏系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学干涉法的真空检漏系统及方法。本发明首先通过光学检漏设备测量待测管路某部位的压力在一定时间内变化的值，然后利用算法软件将测量物理参数代入并计算模型，最后利用算法软件对测试获得的数据信息进行运算处理，找出管道泄漏位置及其漏孔大小。本发明中提出的基于光学原理的真空检漏方法，具有动态响应快、灵敏度高、非接触性等特点，且在强磁场条件下具有较高的抗干扰能力强，稳定性高，适用于包括磁约束聚变堆在内的多种强磁场高辐射应用场景。

Description

一种基于光学干涉法的真空检漏系统及方法
技术领域
本发明属于真空泄漏检测技术领域，具体涉及一种基于光学干涉法的真空检漏系统及方法。
背景技术
磁约束聚变是目前自然科学研究中一项具有十分重大意义的研究领域，超导托卡马克装置被认为最具有聚变能利用前景的可控磁约束热核聚变研究装置。真空系统是整个超导托卡马克装置中非常重要的组成部分，外真空室为低温超导提供绝热环境，内真空室为高温的等离子体聚变提供了真空清洁环境，相关辅助加热系统也需要保持真空状态才能与装置主真空相连接。因此当真空室发生泄露，需要及时对泄露部件进行定位并更换，由于真空容器内具有强磁场背景，常规检漏手段如氦质谱法、负压喷氦法及正压冒泡法在聚变环境下的检测效果不佳且难以操作。而且对于超导托卡马克装置而言，聚变反应将长时间稳定运行，真空室内的辐射条件不允许人工检漏。而且若是要破除托卡马克真空室的真空环境，来进行人工检漏，将会造成不可估量的经济损失且检漏流程繁琐且耗时过长，因此抗磁干扰可远程遥操作的检漏方法是未来聚变堆检漏的必然趋势。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光学干涉法的真空检漏系统及方法，在能够进行远程遥操作的同时，具有动态响应快、灵敏度高的特点，同时保证在强磁场下仍具有检漏能力，从而提高聚变堆真空泄漏检测装置的运行可靠性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于光学干涉法的真空检漏系统的检漏方法，所述真空检漏系统包括载具、检漏腔、吸嘴、光纤、激光器和数据处理单元；所述载具用于搭载所述检漏腔与吸嘴，并具有x、y、z三维的运动自由度；所述检漏腔内部为法布里波罗谐振腔，所述检漏腔的两端设有高反镜；所述吸嘴与检漏腔相连，用于收集泄漏气体；所述激光器用于提供激光光源；所述光纤用于传输激光器出射的激光并将检测信号传输给数据处理单元；所述数据处理单元用于处理检测信号；
所述检漏方法包括如下步骤：
步骤S1：将待测管道的管壁用酒精进行清洗，并进行高温除气处理，使漏孔不被污物、油、有机溶剂堵塞；
步骤S2：将待测管道充满氦气，真空检漏系统利用吸嘴紧贴待测管道的管壁，维持一个检测周期，收集泄漏气体，并检测出光信号频率变化，记录数据处理单元的参数；
步骤S3：将上述步骤S2检测得到的光信号进行分析，若是某处的光信号发生变化，则进行判断：
(a)若光信号频率变化大于设定阈值，则判定该处有泄漏；
(b)若光信号频率变化小于设定阈值，则增加检测时间，按照上述步骤S2进行复测,若光信号频率仍然小于设定阈值，判定该处无泄漏；若光信号频率大于设定阈值，判定该处有泄漏；
步骤S4：通过遥控所述载具控制真空检漏系统检测待测管道的其他位置，并重复上述步骤S2-S3，直到待测管道的整个壁面检测完毕；
步骤S5：将记录数据处理单元的参数作为输入量，代入漏率计算模型中处理数据，得出管道漏率大小；
所述漏率计算模型根据如下公式计算：
Lorentz-Lorenz公式：
Figure SMS_1
，
气体维里状态方程：
Figure SMS_2
，
漏率计算公式：
Figure SMS_3
，
以及谐振腔稳定条件：
Figure SMS_4
；
最终得出漏率计算模型为：
Figure SMS_5
；
其中，p为谐振腔内压强，ρ为气体密度，m为腔内模式数，c为光速,v为激光频率，n为折射率，L为光学谐振腔的长度，NA为阿伏伽德罗常数，kB为玻尔兹曼常数，T为腔体内气体的温度，B(T)为第二维里系数，α为偶极子极化率，kB为玻尔兹曼常数，χ为抗磁磁化率，
Figure SMS_6
为检测周期时间，V为检漏腔的体积，O(ρ3)是ρ3的高阶无穷小，
Figure SMS_7
为检测周期内检漏腔内压强变化大小。
进一步地，所述法布里波罗谐振腔的材料为零膨胀玻璃，所述高反镜的材料为K9玻璃或熔融石英。
进一步地，所述光纤与检漏腔由光纤准直器连接。
进一步地，步骤S2中，所述的数据处理单元的参数包括：检漏腔温度，检测信号频率，检测点位置。
进一步地，步骤S2中，所述的检测周期为10s — 60s；所述泄漏气体为氦气。
进一步地，在检测初始，所述的待测管道的内部为正压状态，测试过程中待测管道的两端封闭。
有益效果：
本发明能够提供一种能够在聚变环境下远程遥操作的真空检测手段，无需对真空室破真空，且具有动态响应快、灵敏度高、非接触性等特点，在强磁场条件下具有较高的抗干扰能力强，稳定性高，适用于包括磁约束聚变堆在内的多种强磁场高辐射应用场景。
附图说明
图1为本发明基于光学干涉法的真空检漏方法的步骤流程图；
图2为本发明基于光学干涉法的真空检漏系统示意图。
其中：1、载具；2检漏腔；3、吸嘴；4、待测管壁；5、激光器；6、光纤；7、数据处理单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图2所示，本发明的一种基于光学干涉法的真空检漏系统包括：用于提供激光光源的激光器5，用于装填泄漏气体的检漏腔2，检漏腔2包括光学谐振腔和两块高反镜，其中，两块高反镜垂直检漏腔2的轴线放置于检漏腔2的两端。所述载具1用于搭载所述检漏腔2与吸嘴3，并具有x、y、z三维的运动自由度；所述检漏腔2内部为法布里波罗谐振腔；所述吸嘴3与检漏腔2相连，用于收集泄漏气体；用于将激光器5的光信号传输到检漏腔2并将出射光信号传输给数据处理单元7的光纤6；用于搭载检漏腔2对待测管壁4进行检漏的载具1。
所述法布里波罗谐振腔的材料为零膨胀玻璃，所述高反镜的材料为K9玻璃或熔融石英。
其中激光器5可采用1550nm的近红外激光器，例如：Throlabs公司的FSL1550高功率掺铒超快光纤激光器。
聚变堆的泄漏检测主要是针对管壁各处焊缝的泄漏检测，检测前需要向管壁内部充入测试气体，测试气体最高压力约5MPa，同吋要将待测管壁4进出气管密封封堵。待测管壁4内填充气体为氦气。
如图1所示，本发明的一种基于光学干涉法的真空检漏系统的检漏方法，根据光学原理进行真空测量，通过数学模型得出管道泄漏点的漏率大小；所述的管道初始内部为正压状态，测试过程中管道两端封闭的；具体步骤如下：
步骤S1：人工将检漏腔2固定在载具1上，将待测管壁4用酒精进行清洗，并进行高温除气处理，使漏孔不被污物、油、有机溶剂等堵塞；
步骤S2：将待测管道4充满氦气，真空检漏系统利用吸嘴3紧贴管壁，维持一个检测周期，收集泄漏气体，并测出光信号频率变化，收集数据处理单元7的参数；
步骤S3：将上述步骤S2得到的检测信号进行分析，若是某处的光信号发生变化，需要进行判断：
(a)若光信号频率变化大于设定阈值，则判定该处有泄漏；
(b)若光信号频率变化小于设定阈值，则增加检测时间，按照上述步骤S2进行复测,若光信号频率仍然小于设定阈值，判定该处无泄漏；若光信号频率大于设定阈值，判定该处有泄漏；
步骤S4：通过遥控所述载具1控制真空检漏系统检测待测管道4的其他位置，并重复上述步骤S2-S3，直到待测管道4的整个壁面检测完毕；
步骤S5：将记录下的检测参数作为输入量，代入漏率计算模型中，通过智能算法软件处理数据，得出管道漏率大小；
其中，步骤S5采用的漏率计算模型是根据如下公式获得：
Lorentz-Lorenz公式：
Figure SMS_8
，
气体维里状态方程：
Figure SMS_9
，
漏率计算公式：
Figure SMS_10
，
以及谐振腔稳定条件：
Figure SMS_11
；
最终得出漏率计算模型为：
Figure SMS_12
；
其中，p为谐振腔内压强，ρ为气体密度，m为腔内模式数，c为光速，n为折射率，L为光学谐振腔的长度，NA为阿伏伽德罗常数，kB为玻尔兹曼常数，T为腔体内气体的温度，B(T)为第二维里系数，α为偶极子极化率，χ为抗磁磁化率，
Figure SMS_13
为检测周期时间，V为检漏腔的体积，O(ρ3)是ρ3的高阶无穷小，
Figure SMS_14
为检测周期内检漏腔内压强变化大小。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种基于光学干涉法的真空检漏系统的检漏方法，其特征在于：所述真空检漏系统包括载具、检漏腔、吸嘴、光纤、激光器和数据处理单元；所述载具用于搭载所述检漏腔与吸嘴，并具有x、y、z三维的运动自由度；所述检漏腔内部为法布里波罗谐振腔，所述检漏腔的两端设有高反镜；所述吸嘴与检漏腔相连，用于收集泄漏气体；所述激光器用于提供激光光源；所述光纤用于传输激光器出射的激光并将检测信号传输给数据处理单元；所述数据处理单元用于处理检测信号；
所述检漏方法包括如下步骤：
步骤S1：将待测管道的管壁用酒精进行清洗，并进行高温除气处理，使漏孔不被污物、油、有机溶剂堵塞；
步骤S2：将待测管道充满氦气，真空检漏系统利用吸嘴紧贴待测管道的管壁，维持一个检测周期，收集泄漏气体，并检测出光信号频率变化，记录数据处理单元的参数；
步骤S3：将上述步骤S2检测得到的光信号进行分析，若是某处的光信号发生变化，则进行判断：
(a)若光信号频率变化大于设定阈值，则判定该处有泄漏；
(b)若光信号频率变化小于设定阈值，则增加检测时间，按照上述步骤S2进行复测,若光信号频率仍然小于设定阈值，判定该处无泄漏；若光信号频率大于设定阈值，判定该处有泄漏；
步骤S4：通过遥控所述载具控制真空检漏系统检测待测管道的其他位置，并重复上述步骤S2-S3，直到待测管道的整个壁面检测完毕；
步骤S5：将记录数据处理单元的参数作为输入量，代入漏率计算模型中处理数据，得出管道漏率大小；
所述漏率计算模型根据如下公式计算：
Lorentz-Lorenz公式：
Figure QLYQS_1
，
气体维里状态方程：
Figure QLYQS_2
，
漏率计算公式：
Figure QLYQS_3
，
以及谐振腔稳定条件：
Figure QLYQS_4
；
最终得出漏率计算模型为：
Figure QLYQS_5
；
其中，p为谐振腔内压强，ρ为气体密度，m为腔内模式数，c为光速,v为激光频率，n为折射率，L为光学谐振腔的长度，NA为阿伏伽德罗常数，kB为玻尔兹曼常数，T为腔体内气体的温度，B(T)为第二维里系数，α为偶极子极化率，kB为玻尔兹曼常数，χ为抗磁磁化率，
Figure QLYQS_6
为检测周期时间，V为检漏腔的体积，O(ρ3)是ρ3的高阶无穷小，
Figure QLYQS_7
为检测周期内检漏腔内压强变化大小。
2.根据权利要求1所述的检漏方法，其特征在于：所述法布里波罗谐振腔的材料为零膨胀玻璃，所述高反镜的材料为K9玻璃或熔融石英。
3.根据权利要求1所述的检漏方法，其特征在于：所述光纤与检漏腔由光纤准直器连接。
4.根据权利要求3所述的检漏方法，其特征在于：步骤S2中，所述的数据处理单元的参数包括：检漏腔温度，检测信号频率，检测点位置。
5.根据权利要求3所述的检漏方法，其特征在于：步骤S2中，所述的检测周期为10s —60s；所述泄漏气体为氦气。
6.根据权利要求3所述的检漏方法，其特征在于：在检测初始，所述的待测管道的内部为正压状态，测试过程中待测管道的两端封闭。
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