准平衡态下的流量式泄漏检测容积补偿研究

纪春华 葛 楠 朱 煜

清华大学摩擦学国家重点实验室，北京，100084

0 引言

传统的流量式泄漏检测方法将层流元件置于气源与被测容器之间，在充分加压后通过检测层流元件两端差压来推导泄漏量，由于差压传感器高压端直接与气源相连，因此，气源压力波动会直接影响检测精度与测试稳定性［1－3］。并联型流量式检测以零泄漏的基准容器取代传统检测回路中测试阶段的气源，充气完毕后通过电磁阀将检测回路（包括基准容器、被测容器、层流管、差压传感器）与气源隔离。并联检测回路的设计不仅有效隔离了气源压力扰动，且对充气过程引起的气体温度效应具有一定的补偿作用［4］。由于基准容器容积有限，检测回路与气源隔离后，被测容器端的气体泄漏，会使得两容器压力持续降低，使系统处于一种动态的准平衡过程。

实验研究表明，并联型流量式气密性检测结果不再是差压信号的一元函数，泄漏量与差压及容器容积密切相关。因此，传统的流量式泄漏检测模型不再适用于新型并联检测回路，探讨基准容器容积与泄漏量的内在关系，建立适用于流量式泄漏检测的容积补偿模型，对研制开发新型检漏设备具有重要的理论意义和实用价值。

1 检测过程描述

流量式气密性检测原理如图1所示。并联型流量式泄漏检测差压示意图如图2所示。实验过程中通过与被测容器相连的微流量调节阀模拟末端气体泄漏，采用国家计量局现行的气泡法作为泄漏量标定依据。检测开始，为基准容器与被测容器同时充入设定的压力气体，充气结束时刻，基准容器与被测容器内的压力同为设定的充气压力，差压为零。充气过程结束后，通过阀门将基准容器、被测容器、层流元件及差压传感器所构成的末端检测系统与气源隔离，此时，由于被测容器存在泄漏，使其系统内的气体质量开始减小，从而在基准容器与被测容器间逐渐建立压力差，压缩空气在压差作用下经层流管由基准容器流向被测容器，该过程为差压逐渐增大的动态过程。当层流管流场建立后，其两端呈现差压稳定的准平衡状态。在准平衡状态下，由于被测端存在泄漏，系统与外界始终存在着能量与质量的交换，因此，随着时间的推移，两容器内的压力必然与外界的大气压力相等，层流管差压也随之消失。当被测对象为微量压力泄漏时，系统内差压与压力下降是一个极为缓慢的过程，由于检测时间一般较短（差压信号检测一般在数秒内完成），因此，检测阶段可将差压视为稳态信号，将检测过程作为准平衡状态处理。差压信号检测完毕后，通过电磁阀控制气路将系统内气体排出，差压也随之归零。

2 容积补偿模型

检测过程准平衡态下的系统模型如图3所示。假定准平衡过程中某一瞬时，被测容器所在子系统Ⅰ内气体状态参数为p1、V1、T1，气体质量为m1，基准容器所在子系统Ⅱ内气体状态分别为p2、V2、T2，气体质量为m2，被测容器气体泄漏量为Ql，层流管内流量为Qm。

在系统的准平衡状态中，分别对子系统 Ⅰ、子系统Ⅱ，建立气体状态方程及热力学方程［5-8］：

在检测过程关注的准平衡状态下，层流元件内流场在dt时间内处于稳定，被测容器与基准容器内压力变化率相等，即

联立式（1）～ 式（4），可得

由式（5）可以看出，层流元件内的流量不仅与泄漏量相关，而且与被测容器所在子系统Ⅰ内的气体状态参数（p1、V1、T1）、基准容器所在子系统 Ⅱ 内的气体状态参数（p2、V2、T2），以及基准容器内温度变化量dT2／dt和被测容器内温度变化量dT1／dt有关，它们共同影响着层流元件内的流量大小。各变量以式（5）的形式共同决定着层流元件两端差压信号的大小。由于各变量间耦合关系复杂，因此，在研究容器容积对检测结果的影响时，我们对模型作如下理想假设（该假设符合一般工业检测条件）：

（1）初始零温差假设，即T1＝T2。

（3）理想层流假设［8-9］，即不考虑层流管中局部损失对检测结果的非线性影响，层流管内流量与两端差压成正比，层流管质量气阻为1／K，即Qm＝KΔp。

依据上述前提，可将式（5）简化为

3 实验结果分析

由式（6）可以看出，当基准容器容积远大于被测容器容积时，V1／V2趋于0，此时基准容器可视为理想压力源，层流元件内流量与泄漏量绝对相等，被测容器内质量不变，检测系统处于稳定状态。理论上讲，在实际的泄漏检测工况下，层流元件内的流量（差压信号大小）与泄漏量之间的关系取决于两容器容积的比值。为验证上述理论分析的正确性，我们对容积不同的一系列容器进行了泄漏检测实验，通过微流量调节阀，模拟了检测压力在0.3MPa下，0～35mL／min内的被测容器的不同泄漏工况。实验结果如图4、图5所示，由图4、图5可以看出，当泄漏量不变时，对同一被测（基准）容器，差压检测值随基准（被测）容器容积增大而增大（减小），差压增大（减小）幅值与泄漏量大小成正比，该变化规律与理论分析中所建立的容积补偿模型的结果相一致，实验结果初步验证了容积补偿模型的正确性。

分析与实验结果表明，对特定的检测容器，增大基准容器容积有助于放大差压检测信号，提高检测精度，但在实际的泄漏检测工况中发现，增大基准容器容积，一方面会使充气时间增长，影响检测效率；另一方面也会带来较大的温度变化，为检测结果中的温度修正带来困难。另外，差压传感器的量程也是选择基准容器时要考虑的重要因素，因此，基准容器的容积选择，应依据具体工况综合多方面因素进行考虑。

图6、图7所示为一族检测曲线进行容积补偿前后的结果对比。

由图6可以看出，原始检测数据受容积变化影响较大，同一泄漏量对应不同容器容积下的多个差压检测值，因此无法单独通过差压信号计算泄漏量大小。依据容积补偿模型加入补偿系数后，检测值与泄漏量已呈现基本的线性特性，图7所示是图6中实验数据经过容积补偿后的结果。但由于单一的容积补偿没有考虑层流管局部压力损失对差压的影响，且忽略了初始温度差异及温度变化对检测结果的影响，因此容积修正后差压与泄漏量之间仍然存在一定的非线性关系，有待后续研究。

4 结束语

容积补偿是并联型流量式泄漏检测理论的重要组成部分，补偿方法与模型的准确性不只影响检测精度与效率，更是能否顺利完成检测的理论前提。本文从流量式泄漏检测机理出发，通过对检测过程中的准平衡检测阶段模型分析，以压力变化率搭建基准容器与被测容器间的桥梁，以零温差及等温变为前提建立了容积补偿模型，通过提取层流元件流量与泄漏量关系中的容积影响因子做为容积补偿系数，建立了适用于并联型流量式泄漏检测的容积补偿方法。实验表明，建立的容积补偿模型虽为分析容积对检测结果的影响提供了正确的理论方法，初步建立了泄漏量与差压信号间的线性关系，但检测结果仍呈现一定的非线性特性。故研究温度及层流元件局部压力损失对检测结果的影响成为进一步提高检测精度的重点。

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