камеру для опрессовки и вакуумных испытаний нельзя, поскольку при этом будет большой фон в течеискателе от остатков гелия. Вакуумную камеру откачивают до давления порядка 5 Па и фиксируют фоновые показания течеискателя. Затем камеру открывают, устанавливают в нее изделие опрессованное гелием, опять откачивают ее, отсекают насос и накапливают натекающий из изделия гелий в камере без откачки в течение приблизительно 1 ч. Включают насос течеискателя и фиксируют показания выходного прибора. Накопленный газ будет действовать на течеискатель лишь короткий промежуток времени.

При контроле с помощью обдувателя к изделию присоединяют установку для течеискания, которая на рис. 2.5 присоединена к камере через вентиль 6. Объект контроля подготавливают, как указано в 2.3, затем откачивают до давления 5 Па, отключают насос вспомогательной откачки 13 и обдувают поверхность гелием из баллона 1.

Обдувание начинают с мест подсоединения системы вспомогательной откачки к течеискателю, а затем обдувают сам объект контроля, начиная с его верхних участков и постепенно переходя к нижним. Это позволяет точнее обнаруживать места течей, поскольку гелий легче воздуха, то, вытекая из сопла, он поднимается кверху. Сначала устанавливают сильную струю гелия, схватывающую при обдувании большую площадь. При обнаружении течи струю гелия уменьшают и точно определяют место дефекта. Скорость перемещения обдувателя до контролируемой поверхности 2—5 мм/с. Способ обдува обладает меньшей чувствительностью, чем способ гелиевой камеры или чехла. Это объясняется кратковременностью воздействия гелия на контролируемый участок.

Когда обдуватель находится над течью, давление повышается, причем V равно объему изделия и вакуумной системы течеискателя (рис. 2.6, кривая 1). В момент времени tl(отсчет ведется с момента поднесения обдувателя к течи) обдуватель сдвигают с места течи. Давление к этому моменту достигает:

После этого поток гелия в систему прекращается и в Q=0. В результате давление уменьшается (кривая 3) по закону:

При контроле способом гелиевого щупа вместо вакуумной камеры (см. рис. 2.5) через вентиль 6 присоединяют к течеискателю щуп на гибком шланге. Контроль проводят в следующем порядке. Систему течеискания откачивают механическим насосом при закрытом вентиле 6, затем его приоткрывают так, чтобы при совместной откачке насосами течеискателя и вспомогательным 13 давление на входе течеискателя было не более 30 Па. В изделие (которое находится вне камеры) подают гелий. Щуп перемещают со скоростью не более 2 мм/с в непосредственной близости от поверхности изделия, его снабжают насадками, повторяющими форму изделия. Контроль начинают с нижних участков поверхности изделия для более точного обнаружения мест течи.

Достигаемая при контроле способом щупа чувствительность к течам ниже, чем при других способах масс-спектрометрического контроля. Это связано с тем, что щуп захватывает значительный поток воздуха, поэтому концентрация гелия снижается. Для обеспечения требуемого вакуума в камере масс-спектрометра приходится дросселировать поток смеси воздуха с гелием вентилем 6 и параллельно потоку через течеискатель создавать поток через насос 13. Для повышения чувствительности увеличивают давление опрессовки гелием, приблизительно в 10 раз по сравнению с другими рассмотренными способами.

2.5.Галогенный метод

Действие галогенного течеискателя основано на резком увеличении эмиссии поло-

29

жительных ионов щелочных металлов в чувствительном элементе при появлении в пробном газе галогенов, т. е. веществ, в состав которых входят элементы группы галоидов: фтор, хлор, бром, иод. Обычно в качестве пробных веществ используют пары соединений, содержащих фтор—фреоны (хладоны) различных марок: 12, 13, 22 или 133. Это легколетучие жидкости, давление насыщенного пара при комнатной температуре (6÷ЗО)·105 Па. Вещества эти не имеют запаха, безвредны, неагрессивны, используются в качестве хладоагентов в бытовых холодильниках.

Чувствительный элемент галогенного течеискателя (рис 2 7) состоит из анода 5 в виде платиновой (никелевой) спирали, навитой на керамическую трубку-основание 4.

Рис. 2.7. Устройство выносного щупа галогенного течеискателя Коаксиально с этой трубкой на керамической плате 6 укреплена платиновая (нике-

левая) трубка — коллектор 2. Через чувствительный элемент турбинкой 1 прогоняют анализируемый газ. Охлаждение корпуса ускоряет радиатор 3.

Анод нагревают до 800—900 °С, в результате этого с платины и основания испаряются имеющиеся в виде примесей атомы щелочных металлов (натрия, калия). Нагретая платина ионизирует испарившиеся атомы. Под действием разности потенциалов между анодом и коллектором (около 250 В) ионы движутся к коллектору. Галогены способствуют процессу ионизации атомов щелочных металлов. В результате этого поток ионов в промежутке анод-коллектор возрастает при появлении галогенов. Ток анод-коллектор является измеряемой величиной в галогенном течеискателе.

Промышленность выпускает галогенные течеискатели типов БГТИ-7 и ГТИ-6. Первый из них — портативный, он имеет массу 5,5 кг, питается от батареи, его порог чувствительности к потоку пробного газа 5·107 Вт. Прибор ГТИ-6 имеет массу 10 кг, питается от сети и имеет преобразователи двух типов: атмосферный, подобный рассмотренному выше, порог чувствительности 1 • 107, а вакуумный — 1 • 10-9.

Перед началом работы с прибором его настраивают с помощью калиброванной течи «Галот», входящий в комплект. Оценивают ток, вызываемый калиброванной течью, и его флуктуации. Признаком течи является увеличение показаний в 2 раза по сравнению с фоном.

При попадании большого количества галогенов в преобразователь течеискателя его анод теряет чувствительность — «отравляется». «Отравление» происходит либо при длительном действии на чувствительный элемент малых концентраций галогенов, либо при кратковременном поступлении их больших количеств. «Отравление» тем более вероятно, чем выше температура нагрева анода. Восстановить чувствительность можно, пропуская несколько часов через чувствительный элемент поток воздуха без примесей галогенов, нагретый несколько выше рабочей температуры.

Используют два способа локального контроля галогенным течеискателем: щупа и обдувания. Чаще применяют атмосферный преобразователь, работающий по способу щупа, так как он проще в реализации, у него меньше вероятность отравления.

Установка для контроля способом щупа показана на рис. 2.8 объект контроля 6 откачивают механическим насосом 5 до остаточного давления 500—1000 Па. Закрывают вентиль 4 и через редуктор 2 подают в объект фреон из баллона /. Давление регулируют по манометру-вакуумметру 3 так, чтобы в изделии находился насыщенный пар фреона

30

или смесь фреона с воздухом. Иногда фреон подают в объект без его предварительной откачки.

Рис. 2.8 Схема контроля способом галогенного щупа Щуп 7 перемещают в непосредственной близости от поверхности объекта со скоро-

стью 5—8 мм/с. Контроль начинают с верхних участков изделия и постепенно переходят к нижним. Пары фреона тяжелее воздуха, и такой порядок контроля позволяет более точно определять места течей. О появлении фреона судят по показаниям выходного прибора 8, световым и звуковым сигналам. В этом случае щуп нужно немедленно убрать от течи во избежание отравления чувствительного элемента. С этой же целью контроль часто выполняют в два этапа. На первом этапе испытания ведут при неполном нагреве анода, применяют в качестве пробного газа смесь фреона с воздухом, в результате этих мер чувствительность снижается. Второй этап испытаний проводят при максимальной чувствительности, соответствующей Qmin=10-7÷10-6 Вт. После проведения контроля фреон удаляют из изделия откачкой до давления 100 Па, напуском воздуха и повторной откачкой.

Порог чувствительности можно понизить, применяя повышенное давление опрессовки РО пр. В этом случае минимально обнаруживаемую течь, приведенную к стандартным условиям, определяют по формуле:

Здесь у — концентрация паров фреона в смеси, заполняющей объем; — вязкость смеси. При использовании чистого фреона Ф-12 или Ф-22 давление опрессовки может достигать (5÷10)·105 Па, если позволяет прочность объекта контроля. Оно ограничивается упругостью пара фреона. В результате порог чувствительности метода при контроле способом щупа может быть снижен до 10-7 Вт. Технология контроля галогенным течеискателем значительно проще, чем масс-спектрометрическим. Галогенный течеискатель сравнительно несложный, легкий прибор, не требует обязательного вакуума для своей работы. Воздух, захватываемый щупом, почти не снижает чувствительности. Галогенный метод, так же как масс-спектрометрический, позволяет вести контроль по различным схемам. Галогенный метод применяют довольно часто, когда не требуется высокая чувствительность. Недостатки этого метода — возможность «отравления» чувствительного элемента и повышенный фон, требующий тщательной вентиляции помещения.

2.6.Пузырьковый метод

Метод основан на наблюдении пузырьков пробного газа 4 (рис. 2.9), выделяемых из течи 3 при опрессовке газом объектаконтроля 2, поверхность которого покрыта жидкостью. Для этого объект контроля погружают в резервуар / с жидкостью (водой, как на рис. 2.9) или наносят жидкую пленку.

Преимущества пузырькового метода заключаются в его простоте: он не требует приборного оснащения и специальных пробных газов, имеет высокую чувствительность, операции выявления и локализации течей совмещены.

31

Рис. 2.9. Пузырьковый метод контороля Его недостатком является необходимость погружения изделия в резервуар, что не-

возможно для крупногабаритных изделий. Покрытие поверхности жидкой пленкой — трудоемкая операция, имеется опасность коррозии поверхности в результате длительного действия на нее остатков жидкости (воды). Чувствительность метода иногда оказывается недостаточной. Результаты проверки в большой степени зависят от добросовестности контролеру v.

На примере пузырькового метода удобно проследить влияние порога чувствительности средства течеискания и условий испытания на порог чувствительности способа течеискания в целом. Средством обнаружения течи собственно являются пузырьки пробного газа. Рассмотрим процесс образования пузырька для оценки порога чувствительности. Под влиянием давления опрессовки Ропр, создаваемого в объекте контроля, в устье течи образуется пузырек. Количество газа в нем определяется произведением объема пузырька Vnна давление внутри него Рп. Это давление меньше Ропр за счет дросселирования (снижения давления) течью. Определим Р„ из условия равенства его сумме внешних давлений, действующих на пузырек: атмосферного давления на поверхность жидкости Рат, гидростатического давления жидкости Рги поверхностного натяже-

ния Ри.

Величина Pr=gph, где р — плотность жидкости, ah— высота столба жидкости над пузырьком. Согласно (2.1) давление, вызываемое силами поверхностного натяжения:

Здесь Fжг — сила поверхностного натяжения жидкость—газ, отнесенная к единице длины на поверхности жидкости. Применительно к рассматриваемому случаю D = 2r— диаметр пузырька, = 0. Таким образом:

где t— время образования пузырька.

Поток газа через течь увеличивает диаметр пузырька до его отрыва. Этот момент наступает, когда действующая на пузырек архимедова сила gpVn станет равной, а затем превзойдет силы сцепления пузырька с поверхностью, равные силе поверхностного натяжения жидкость — газ, умноженный на периметр течи:

Fжг d,

где d— диаметр течи. Таким образом, условие отрыва:

Здесь Do — диаметр пузырька в момент отрыва. Из формулы видно, что чем больше диаметр течи, тем крупнее пузырьки. Однако поскольку из dи величин, характеризующих свойства жидкости — Fжг и р, извлекается корень кубический, диаметр отрывающегося пузырька меняется мало при изменении названных величин. Обычно диаметр отрывающегося пузырька принимают равным 0,5—1 мм. Пузырьки диаметром меньше 0,5 мм трудно заметить. Отсюда можно оценить минимальный диаметр течи

dmin = 2,8 мкм.

Минимальный поток газа, регистрируемый пузырьковым методом, можно оценить

32

из предположения, что время t0 от начала образования пузырька до его отрыва равно 30 с. Если это время больше, то слишком редко образующиеся пузырьки трудно заметить.

Обычно гидростатическое давление гораздо меньше атмосферного, оно даже стремится к нулю при уменьшении расстояния от течи до поверхности h. Давление сил поверхностного натяжения также существенно меньше атмосферного. В результате определяем минимально регистрируемый поток газа с помощью пузырькового метода:

Это значение определяет порог чувствительности пузырькового способа как средства течеискания. Теперь рассмотрим чувствительность (нижний предел индикации) всей системы течеискания пузырьковым методом.

Подставим Qmin вместо Q, т. е. будем считать, что поток известен и равен порогу чувствительности средства течеискания. Отсюда вычислим чувствительность всей системы течеискания Bmin, приведенную к стандартным условиям:

Рассмотрим некоторые варианты пузырькового метода. Как отмечалось равнее, вместо погружения объекта контроля в резервуар его покрывают жидкой пленкой (способ обмыливания), в которой наблюдают образование пузырьков. Жидкость должна быть вязкой, медленно стекающей с малым поверхностным напряжением. Ее приготавливают из водного раствора мыла, глицерина и желатина (мыльная пленка) либо из водного раствора декстрина, глицерина, спирта и других добавок (полимерная пленка). Вязкость обеспечивает медленное стекание, а снижение сил поверхностного натяжения облегчает образование пузырей.

Пленку наносят на поверхность изделия мягкой кистью или распылителем. Наблюдение за образованием пузырьков начинают через 2—3 мин после нанесения мыльной пленки. При использовании полимерной пленки выявление больших дефектов наблюдают непосредственно после нанесения пленки, а малые дефекты — через 20 мин. Пузырьки в такой пленке не лопаются, а сохраняются в виде «коконов» в течение суток. Чувствительность определяют по той же приближенной формуле.

Наибольшей чувствительностью пузырькового метода удается добиться, если использовать способ обмыливания и наблюдения в локальной вакуумной камере с давлением около 104 Па. Такая камера (рис. 2.10) «присасывается» к поверхности объекта контроля под действием атмосферного давления. Наблюдение за появлением пузырьков, коконов или разрывов пленки ведут через смотровое окно. В этом случае атмосферное и гидростатическое давления равны нулю и формула с учетом двойной поверхности соприкосновения пленки с газом приобретает вид:

Принимая прежние условия испытания и величину поверхностного натяжения для воды 0,075 Н/м, получим Qmin=l,3-10-9 Вт, т. е. порог чувствительности метода как средства течеискания снижается в 170 раз по сравнению с испытанием в резервуаре с атмосферным давлением. При этом сохраняется отмеченная выше возможность повышения чувствительности способа контроля в целом за счет повышения давления опрессовки и применения водорода в качестве пробного газа вместо воздуха. В результате пузырьковый метод позволит выявлять течи, которые при вакуумных испытаниях в стандартных условиях будут соответствовать натеканию около 10-11 Вт.

33