气密性能检测仪器的创新设计

文/刘思远

摘要：针对压差法气体密封性能检测设计的缺点，提出容腔压降方案，可以避开温度扰动障碍，满足精度要求。

关键词：充气；平衡；检测；排气

0 引言

在包括包装容器等诸多个行业中，中间工序和最终工序可能有产品的密封性能检测，以确保各种规格尺寸、形体的胶合面或工艺结合面密封能力达标。工业级测量范围是50~700kPa。科学试验领域，包括航天试验，同样需要密封性能检测，其最高测量范围高达35MPa。

日本FUKUDA 公司从20世纪60年代开始研制生产气密检测仪（福田），占据中国市场最大份额。

目前国内中科院所已有自主研制气密检测仪器，航天设计院也设计了高压的泄漏检测仪，个别公司也有设计制造此类仪器，精度和稳定性或可满足设计目标，但是在特殊条件下的应用能力还有待提高。

1 压差法

气体密封性能检测过去有气泡法、氦质谱法，现在对于精度要求高的密封件做密封性能检测，多采用气体差压法。此种方法依赖高精度的压力传感器和压差传感器。

国内常见的压差方案， 其气路里面包含基准件（标准件），压差气路结构如图1 所示。

整个测量过程分为4个关键阶段：

（1）充气阶段：阀1﹑阀2 打开；时间到，阀1 关闭。

（2）平衡阶段：阀1 关闭、阀2 打开，使得两个容器里面的气压、温度都充分一致。

（3）检测阶段：阀1、阀2 关闭，任何一边泄露都可引起压差计的电流变化。默认标准件不漏，所以压差值就对应泄露值。检测阶段时间长短取决于孔隙大小，孔隙小，泄漏流量小，需要检测时间长。

（4）排气阶段：阀1 关闭、阀2 打开，移除被测件，排净管路气体。

但是此种方案存在明显的缺点：被测工件和标准件的外壳材质、导热系数、有效传热面积等不同，导致测量阶段的压差值是波动的，仪表显示“有泄漏”，而工业现场的温度是扰动的，导致压差值扰动，实际上
被测件可能根本不漏。

所以在精准测量时，要求被测工件温度降至室温后再进行检测。如果被测物是易导热产品（如油冷却器和散热器），即使环境空气有微小气流，也会使检测精度有所下降。在冬天，室内地面温度同室内空间温度有较大差别， 如果待检被测物直接放在地板上，检测精度肯定也会受到影响。

所以，必须寻求一种可以避开温度扰动，满足一般精度要求，可以应用于恶劣的车间环境的设计方案。

2 设计方案

考虑到工厂恶劣的环境和需要反复更换模具这些客观条件，放弃压差法，采用容腔压降直接测量法来检测阀控蓄电池6 个单格的环氧树脂密封情况。它类似于日本福田的FL273 的气路，系统结构如图2 所示。

充气阶段：OK620 6A 阀打开；平衡阶段和检测阶段：OK620 6A 阀关闭；排气阶段：气密模具抬起，完成排气动作。平衡阶段和检测阶段的衔接是靠软件内的时间控制实现的。

软件控制平衡阶段的时间， 在平衡阶段的时间T下降沿采样容腔气压P1，测量结束时刻采样容腔气压P2，P1和P2之差就是压力差值。

被测件1 和被测件2 先后分两次测量，靠换向阀OK620 231 实现。气密模具上下动作，压紧被测件。模具本身的导热性、接口密封设计合理与否直接关系到检测系统自身的泄漏量，如果模具泄露量大于被测工件，那么检测出来的永远是模具的泄露，可见模具设计制作的重要性。所以针对特定工件的检测仪设计，一定要专门设计模具。

气路采用了最简洁的管路，可以有效消除充气阶段的热效应，最大可能避开温度扰动时刻，抓取容积压力。

主要元件规格：日本MSC 精密调压阀，调压范围0.005~0.2MPa ，管径1/2，灵敏度0.1kPa ，实际调试压力0.1MPa ；换向阀，上海欧文凯利的OK 系列，最低动作压力为0bar， 通径3~6mm，kV 值为0.23 左右；上海立格LEEG 传感器，SMP131-S4G2F2A2D (0～1.5bar)L，精度0.25％ F.S,量程150kPa，最小分辨率0.375kPa；控制器， 西门子S7 226CN ；触摸屏，HITECH 的PWS5600T -S ；模拟量模块， 西门子6ES7 231 -0HC22 -0XA0，EM231 只有调最大值的增益旋钮，EM235 有调零和最大值两个旋钮。LEEG 传感器电流和压力关系见表1。

电路结构和程序流程分别如图3、图4 所示，主要梯形图如图5 所示。

3 结语

气体密度检测仪的设计一定要考虑气体平衡环节，平衡时间的下降沿可以作为测量起始时间点。模具和被测物的容积影响了所有环节的时间轴数值，即各阶段时间长短，所以每一阶段的时间量都需实验确定。

理论上，普通实验条件下，所有的被测物都是泄漏的，仪器精确度越高，数据挠动越大，所以选择合适的精度和泄漏检测阀值是很关键的。设计气密检测仪时，不可忽略气路设计的平衡对称性，每一节气路的气管管径和长度或者气阀的通径， 都需要计算和实验。气路结构的对称性和管路容腔的平衡性越高，气路的稳定性越好， 因为它的充气阶段的热效应低，越能在最快的时间里达到平衡。所以各个阀体的通径要统一，所有管路直径要统一。