基于二氧化碳传感器的气密性检测方法

赵亚林，王学影，郭 斌

（中国计量学院计测学院，浙江 杭州 310018）

基于二氧化碳传感器的气密性检测方法

赵亚林，王学影，郭 斌

（中国计量学院计测学院，浙江 杭州 310018）

针对当前工业上泄漏检测方法存在检测精度低、成本高等缺点，设计一种微量泄漏检测方法。该方法利用二氧化碳气体作为示踪物质，充满纯二氧化碳气体的被测件通过标准漏孔产生泄漏，气体进入检测容器中，通过二氧化碳气敏传感器测量检测容器内二氧化碳浓度的变化得到微量气体泄漏的泄漏率。与工业生产中传统的气密性检测方法相比，该方法在提高准确度的同时保证测试的准确性，并且能降低成本。试验结果表明：该检测方法测试的准确性不受温度和湿度变化的影响；在不同压力测试条件下，实测值与标准漏孔参考值误差＜3%，验证方法的准确性；在相同压力测试条件下，测试结果相对标准偏差＜5%，实验重复性良好。

微量气体泄漏；二氧化碳气体；浓度差；标准漏孔；等效漏率；测量准确度

0 引 言

随着科技的不断进步与发展，气密性检测技术已获得越来越广泛的应用。在化工、航空航天、汽车、核电站、国防工业、食品安全、环境保护等方面，任何微小的泄漏都可能引发重大事故，在导致巨大经济损失的同时还可能危及生命，尤其是有害物质泄漏对生态环境的不可逆性损害将无法挽回[1]。

根据不同的工作原理，气体泄漏检测方法可以分为：气泡法、气压法、卤素检漏法、氦质谱法、渗透检漏法、化学示踪物检漏法和声波检漏法等[2]。气泡法[3]操作简单，但易受人为因素影响、效率低。气压法又可以分为直压法和差压法，直压法[4]操作简单、成本低、方便实用，但对气压传感器准确度要求较高且对温度、体积变化敏感；差压法[5]准确度比直压法高、检测成本低，但检测周期长、难以提高准确度。卤素检漏法[6]操作简单、可确定泄漏位置但需要回收气体。氦质谱法准确度高、无污染，但成本高、操作难度大。

目前国内外众多公司开发出了很多成型的压差泄漏检测仪，但这些检测仪器的检测效率和准确度以及检测的重复性都有待提高[7]。为了提高检测的准确度，本文提出了一种基于二氧化碳传感器的气体微量泄漏检测方法。

1 检测方法原理

基于二氧化碳传感器的气密性检测方法是一种通过测量检测容器内二氧化碳气体的浓度变化来计算泄漏量的检测方法，其基本原理如图1所示。二氧化碳气体传感器置于检测容器中，检测工件也密封于检测容器中。给检测工件充入一定压力的纯二氧化碳气体；二氧化碳传感器负责周期性地采集检测容器中的二氧化碳气体浓度，当检测工件有泄漏产生时，即使是很微小的泄漏，检测容器内二氧化碳气体的浓度将逐渐升高，二氧化碳传感器将产生一个与泄漏量相关的输出信号。通过读取检测容器内的二氧化碳气体浓度值，计算得到检测工件的具体泄漏率。

气源1为系统提供二氧化碳气体，其连接气动二联件2，气动二联件可以调节供气管路的气压、过滤二氧化碳气体杂质并实时显示气压值；真空泵8为被测件形成真空提供动力；真空过滤器9负责清除空气中的微粒杂质，为系统提供一个良好的真空环境；真空调压阀10控制管路的真空度并实时显示真空度值；气压传感器7、17监测被测件及检测容器内的气压值；二氧化碳传感器18固定在检测容器20内，实现检测容器内二氧化碳浓度、温湿度和压力数值的及时反馈，并通过研华数据采集卡PCI-1711将采集到的数据传送到上位机中；电磁阀控制通断逻辑,两位两通电磁阀具有单向密封的特性，即从IN口向OUT口可以实现密封隔断，而反向则不行[8]。所以，为了保证测试时系统泄漏合乎标准，各电磁阀的接口方向有一定要求，如图1所示。

图中二氧化碳传感器18属于气敏传感器，气敏传感器是一种检测特定气体在单位空间内分子数目的传感器，主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等[9]。本文采用的NDIR红外CO2传感器是目前最可靠以及最准确的CO2气体传感器技术。其核心是美国GE T6615型双通道传感器，其中二氧化碳通道用于测量气体浓度，另一个参考通道用于测量传感器信号强度。其检测范围宽、零点漂移小、灵敏度高、无需加热、对泄漏反应快速，并能实现连续检测。

根据该传感器的性质，得到本文检测工件的泄漏率公式：

式中：ρ1——检测容器内开始检测时的二氧化碳浓

度值，cm3/m3；

ρ2——检测结束时的浓度值；

V1——检测容器体积，mL；

V2——被测工件体积，mL；

t——检测时间，s；

图1 微量气体泄漏测试气路原理图

Q——泄漏率，mL/min。

本文中使用二氧化碳气体作为示踪气体，其检测得到的泄漏率不能等效为空气泄漏率，因此所得结果需要等效换算。

本实验所采用的标准漏孔是在环境温度为（20± 5)℃，入口压力为表压100 kPa（±5%)，出口压力为一个标准大气压的干燥空气 （露点温度低于-25℃)条件下，通过漏孔的泄漏率为0.19mL/min的烧结型标准漏孔。

在分子流下，一种气体的漏率可以转换成相同温度下的任何其他气体的漏率，如下式所示：

式中：Q1、Q2——气体1、2的漏率；

M1、M2——气体1、2的摩尔质量。

由式（1)、式（2)可计算出等效漏率Q等效，如下式所示：

2 检测装置的结构设计

2.1 硬件结构设计

检测装置的硬件组成部分主要有电源、数据采集显示系统、硬件电路部分、气路部分和机械工装夹具。图2为硬件结构框图，反映了各部分协调工作的原理。

图2 硬件结构框图

数据采集系统和计算机是整机硬件的核心，数据采集卡通过接线端子板、功率放大板以及调理电路、转换电路与整机系统中的气压传感器、二氧化碳传感器、电磁阀等进行数据交换。PCI-1711采集传感器输出的AI信号送交计算机分析处理，并输出DO信号给电磁阀，控制工装夹具动作和测试气路状态，从而实现装夹、测试的过程，DO信号同时控制指示灯进行声光报警以及不合格提示。

2.2 软件结构设计

检测装置的硬件组成部分主要包括电磁阀控制模块、数据采集模块、数据处理运算模块、通信模块等。其检测过程为：检测开始前系统自动完成封堵夹紧作业；检测开始，打开抽气电磁阀，调节真空调压阀，将被测件的气压抽至-100kPa，抽气延时到位；关闭抽气电磁阀打开充气电磁阀，通过电气比例阀调整压力至额定工作值，充气延时到位，关闭充气电磁阀；等待气体稳定（为10 s)，使检测系统达到稳定；通过对被测件容器的压力和检测容器的压力、二氧化碳浓度值进行实时测量，获取被测容器泄漏率；检测完成后，排出气路中的气体。其检测流程图如图3所示。

图3 检测程序流程图

3 实验结果分析

实验开始前，利用氦质谱仪进行泄漏检测系统自身的气密性检测，在室温、测试压力500kPa条件下，检测容器泄漏率为4.68mL/h，根据ISO 10297——2006[10]标准中，对可运输气瓶阀的气密性试验要求小于6mL/h为不漏，可认为检测容器无泄漏。在气源的压力作用下，被测件中压强迅速升至测试压强；充气时间为10s，再经过10s的稳定时间后，容器内部压强基本稳定，此时打开泄漏阀，气体快速通过标准漏孔泄漏，检测容器内二氧化碳浓度变化。根据二氧化碳浓度变化值可以计算出被测件的泄漏率。

图4为采用该检测方法在各测试压力条件下，检测容器中二氧化碳浓度的测量结果。

图4 各测试压力条件下二氧化碳浓度

从图中可以看出，t=30s时泄漏阀打开，气体快速通过标准漏孔泄漏，检测容器内二氧化碳浓度开始变化；t=90 s时关闭泄漏阀；经过一段时间的平衡后，检测容器内二氧化碳浓度值趋于稳定。根据检测容器内稳定时二氧化碳浓度平均值与泄漏阀打开前浓度平均值的差值，代入式（3)计算出被测件的泄漏率，如表1所示。

图5为各测试压力条件下，气体微量泄漏测量所得泄漏率与标准漏孔参考值的对比。

从图中可以看出：采用本文的测量方法得到的泄漏率较参考值小，随着压力的上升，两者差值逐渐增大但误差都小于3%。这主要是因为该方法采用气敏传感器检测气体微量泄漏，气敏传感器本质上是测试大分子物质在单位体积内的大分子数量，检测容器内测试压力每变化0.1 kPa受压强变化的影响为当前传感器读数的0.1%，气体微量泄漏使得检测容器压强产生微小幅度上升，压强对微量泄漏实验结果影响较小。这属于实验系统误差，可以进行修正补偿。并且实验采用纯二氧化碳气体，避免了混合气体在泄漏过程受到摩尔质量和分压力分数的影响。

表1 气体微量泄漏的测量结果

图5 实测值与参考值对比图

表2为测试压力（300±5)kPa、温度（23±0.5)℃、相对湿度（11%±0.5%)RH条件下，单件重复测量50次的测试结果。

表2 单件重复测量50次的测试

根据标准偏差式（4)、相对标准偏差式（5)所示，对表2进行数据分析计算。

Leak detection method based on carbon dioxide sensor

ZHAO Yalin，WANG Xueying，GUO Bin
（College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

To solve the low detection accuracy and high cost of current industrial air-leakage detection methods，a new trace leak detection method with carbon dioxide as a tracer was developed.Pure CO2gas in the measured parts entered a detection container through standard leaks，and the changes in CO2gas concentration in the detection container was measured with a CO2gas sensor to obtain the gas leakage rate.Compared with the conventional gas-tightness detection methods used in industrial production，the proposed method has improved the detection accuracy and reduced the detection cost.The experimental data show that the accuracy of the method is no longer affected by changes in temperature and humidity.The error between the measured and reference leak value is less than 3%under different pressures，which has verified the accuracy of the method.In the same pressure，the relative standard deviation of the test results is less than 5%，which has verified the experimental reproducibility.

trace gas leak；CO2；concentration difference；standard leak；equivalent leak rate；detection accuracy

A

：1674-5124（2015）10-0030-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.007

2015-04-12；

：2015-06-06

浙江省公益性技术应用研究计划（2014C31105)

赵亚林（1989-)，女，云南宣威市人，硕士研究生，专业方向为汽车零部件和精密仪器检测。