ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЙ (КАТАРОМЕТРИЧЕСКИЙ)СПОСОБ
Газоаналитический (катарометрический) способ течеискания основан на регистрации изменения теплопроводности газовой смеси изза наличия в ней индикаторного газа, прошедшего через неплотность.
По принципу действия газоаналитические течеискатели аналогичны катарометрам, относящимся к газоанализаторам электрического типа, наиболее распространенным в газовой хроматографии детекторам дифференциального типа [13, 19, 35, 41].
Работа катарометрического датчика в течеискателе основана на использовании зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации одного из компонентов смеси (индикаторного газа), теплопроводность которого отлична от теплопроводности остальных компонентов, и заключается в сравнении теплопроводностей смеси с индикаторным газом или чистого индикаторного газа и воздуха.
В качестве индикаторных газов используют газовые смеси или чистые газы (водород, гелий, фреон, углекислый газ, неон, метан, этан, пропан, бутан и др.), теплопроводность которых значительно отличается от теплопроводности воздуха. Возможность работы с таким недефицитным газом, как углекислый, является особенно важным преимуществом при испытании больших объемов.
Датчик газоаналитического течеискателя представляет собой катарометрическую ячейку, устройство которой схематически показано на рис. 44. Чувствительными элементами датчика являются две вплавленные в стеклянные капилляры тонкие металлические (платиновые, платинородиевые и т. п.) нити, натянутые по оси параллельных каналов и нагреваемые электрическим током. Конструктивное оформление и компоновку газоаналитических течеискателей можно рассмотреть на примере серийно выпускаемого течеискателя ТП7101 (рис. 45). В центре рисунка расположен датчик, справа от него — преобразователь, слева — блок питания.
Датчик течеискателя оформлен в виде выносного щупа, которым непосредственно обследуют испытуемый объем. В каналах датчика размещены чувствительные элементы, а перед каналами установлен сменный наконечник.
Для удобства подхода к различным местам, обследуемым при испытаниях на герметичность, в комплекте течеискателя имеются наконечники разной конфигурации и раструбы к ним (рис. 46).
Внутри корпуса преобразователя размещены центробежная газодувка (турбинка) с малогабаритным электродвигателем. На верхнюю панель преобразователя вынесены следующие элементы контроля и управления: стрелочный индикаторный прибор, ручка реостата точной регулировки нуля, ось реостата с цанговым зажимом для грубой регулировки нуля и переключатель шкал чувствительности (пределов измерения). Деления шкалы прибора даны в
относительных единицах чувствительности. На одну из крышек преобразователя вынесена ось реостата с цанговым зажимом для регулировки порога срабатывания световой и звуковой сигнализации (порога чувствительности течеискателя), а на боковую стенку корпуса — ручка выклю
чателя электродвигателя газодувки. На корпусе преобразователя есть гнезда для подключения головных электромагнитных телефонов, служащих для звуковой сигнализации порога чувствительности течеискателя.
Блок питания течеискателя представляет собой стабилизированный выпрямитель, питаемый от сети переменного тока напряжением 220 или 127 В частотой 50 Гц.
Другие типы течеискателей, в отличие от рассмотренной конструкции течеискателя ТП7101, имеют следующие конструктивные особенности: размещение схем измерения и питания в одном блоке (РУТИК, ТП7101 М); оформление выносного щупа в виде пистолета и размещение в нем газодувки с электродвигателем (РУТИК); наличие дополнительного автономного источника электропитания от батарей (ТП7101 М).
Авторами была проведена работа по исследованию возможностей газоаналитического способа с использованием течеискателя ТП7101. Для этого была собрана установка, в которой выходной сигнал течеискателя подавался на двухкоординатный самопишущий потенциометр типа ПДС021. Полученная при этом запись течи с использованием в качестве индикаторного газа фреона12 приведена на рис. 47. Анализ записи показал, что течеискатель ТП=7101 обладает достаточно высокой инерционностью (время достижения максимальной величины сигнала составляет примерно 1с), которая объясняется транспортным запаздыванием подачи индикаторного газа к чувствительным элементам. Время возвращения в исходное состояние (балансировка моста) составляет 5 с.
Были проведены испытания с применением в качестве индикаторных газов чистого фреона, углекислого газа и смесей фреона с воздухом различной концентрации. При исследованиях определяли зависимость показаний течеискателя от величины течей, расстояния щупа до течи и от концентрации индикаторного газа.
На рис. 48 приведена полученная зависимость выходного сивпадают. Оптимальным для контроля является расстояние в 1—3 мм.
На рис. 49 приведена зависимость показаний течеискателя от величины течи при расстоянии до поверхности течи 1 мм. Максимальная чувствительность течеискателя к потоку чистого индикаторного газа фреона12 составляет с» in—q мм3 • МПа примерно 2 • 10 3.
На рис. 50 приведена зависимость показаний течеискателя от величины течи углекислого газа при различных расстояниях щупа до поверхности течи. Оптимальным является расстояние 1—3 мм. Из сравнения рис. 48 и рис. 50
ла течеискателя ТП7101 от величины течи индикаторного газа фреона12 (CF2 С12) при различных расстояниях до поверхности течи. С увеличением течи показания течеискателя увеличиваются (зависимость нелинейная), а при увеличении расстояния до поверхности течи показания резко па
следует, что при одном и том же расстоянии до поверхности течи кривая зависимости показаний течеискателя от величины течи в случае использования углекислого газа более крутая, чем в случае использования фреона. Так, при расстоянии от щупа до поверхности течи 1 мм и изменении Л 1 г, мм3МПа о in—2 мм3 МПа
величины течи от 0,13до 2 • 10 2показания
с с
течеискателя при использовании углекислого газа уменьшаются с 25 относительных единиц чувствительности до 3,5 (т. е. на 86%), а
при использовании фреона — с 47,5 единиц до 29,5 (т. е. на 38%). Максимальная чувствительность течеискателяТП7101 к чистому углекислому газу составляет 5,97 • 10 2 , т. е. более чем на один порядок ниже
максимальной чувствительности течеискателя к потоку фреона12.
Исследование чувствительности течеискания при различных концентрациях фреона12 показало, что при снижении концентрации индикаторного газа в смеси чувствительность газоаналитического метода резко падает. Так,
при концентрации индикаторного газа фреона12 50% и давлении смеси 0,2 МПа минимальная величина течи, на которую реагирует течеискатель ТП7101 и дает показания за пределами 10—15% диапазона шкалы прибора от мягЗ, МГТл
начала отсчета, равна (1,33—2) . Ю1 —' На течь примерно такой же величины течеискатель реагирует при меньшей концентрации индикаторного газа (33,3%), но при большем давлении смеси (1,96 • 105 Па) или при большей концентрации пробного газа и меньшем давлении смеси. Оптимальной следует считать концентрацию индикаторного газа не менее 50%. В процессе испытания газоаналитического метода на натурных объектах была определена оптимальная скорость перемещения наконечника щупа течеискателя ТП7101, равная 3—8^. При этой скорости обеспечивается обнаружение течей с максимальной производительностью течеискания.
На основании проведенных работ по выяснению возможностей газоаналитического метода была разработана методика и осуществлен контроль крупногабаритных емкостей. Газоаналитический метод применялся как предварительный перед галоидным для выявления наиболее грубых неплотностей.
Газоаналитический метод течеискания находит всё более широкое применение благодаря простоте и портативности аппаратуры и удобству ее эксплуатации. Универсальность газоаналитического течеискателя является его большим достоинством, так как один и тот же прибор в той или иной степени пригоден для поисков течей практически любого газа. Это особенно ценно при проверке герметичности различных газовых систем под давлением (вентилей баллонов, соединений трубопроводов, боксов и т. п.) в рабочем состоянии, так как не требует перенаполнения систем другим газом или откачки их. Перспективным является применение газоаналитических течеискателей для проверки газопроводов с горючими газами (природным газом, пропаном, бутаном и т. п.), а также для обнаружения паров летучих жидкостей.
К недостаткам метода следует отнести сравнительно невысокую чувствительность, большую инерционность, а также некоторую зависимость показаний течеискателей от наличия в окружающей атмосфере различных паров и газов, включая растворители для подготовки поверхности контролируемого объекта.
РАДИАЦИОННЫЙ СПОСОБ
Радиационный способ течеискания основан на регистрации радиоактивного излучения индикаторных жидкостей или газов, прошедших через неплотность.
При контроле проверяемые объекты заполняют смесью воздуха с газообразными радиоактивными изотопами. Чувствительным элементом для обнаружения мест неплотностей может быть счетчик Гейгера —Л4юллера или другой специальный прибор. Способы создания давления рабочих смесей, выдерживание конструкций под этим давлением и способы обнаружения неплотностей аналогичны, например, тем, которые имеют место при контроле щупом во время массспектрометрических испытаний.
В качестве радиоактивного газа чаще всего используют криптон85 (Кг85). Это химически инертный газ с периодом полураспада 10,6 лет. Отличительной особенностью этого газа является способность задерживаться в кристаллической решетке некоторых материалов (например, гидрохиноне). При нагревании или растворении кристаллов происходит выделение радиоактивного газа.
Описано применение радиационного метода контроля герметичности «Radiof 1о» на ракетостроительных заводах США [70]. Испытываемую систему опрессовывают смесью Кг85 с воздухом или азотом, течи регистрируют счетчиком Гейгера—Мюллера. Чувствительность контроля 1,33 X X 10 8 мм . Способность Кг85 растворяться в углеродных горючих веществах позволяет добавлять его как индикаторный газ не только в газовые системы, но также в топливные и гидравлические системы ракет.
При контроле герметичности ракет «Сатурн» проверяемую систему заполняют смесью Кг85 с азотом [66]. Через несколько секунд с помощью счетчиков обнаруживают течи.
Для определения натекания угарного газа из двигательного отсека в кабину самолета в качестве индикаторного газа используют Кг85 [62]. Детекторы размещают в различных точках кабины, показания снимают в наземных условиях и в условиях полета.
Для обнаружения утечек жидкого водорода, используемого в качестве горючего для ракет, в него добавляют небольшое количество радиоактивного трития [76]. Тритий имеет низкую температуру кипения (59 К), близкую к температуре кипения водорода (56 К). Это позволяет растворять тритий в водороде, в то время как все обычно применяемые индикаторные вещества в смеси с ним затвердевают. Период полураспада трития 12,5—14 лет. Тритий ^активен, что позволяет успешно применять его для течеискания, так как металл толщиной более 0,05 мм (стенки контролируемого объекта) поглощает излучение, а рсчетчиком регистрируется только излучение, прошедшее через неплотности. Даже при очень низкой концентрации трития (от 0,1 до 10 частей трития на миллиард частей водорода) можно зафиксировать утечку водорода до того, как его концентрация в воздухе достигает взрывоопасного уровня. Загрязнение поверхности контролируемого объекта радиоактивными веществами устраняют путем обдува его воздухом.
Радиационный метод наиболее целесообразно применять при контроле малых замкнутых объемов, например, полупроводниковых приборов [64]. Испытуемые объекты в течение некоторого времени выдерживают в контейнере, где создают избыточное давление радиоактивного газа Кг85. Затем радиоактивный газ удаляют, а наружные поверхности объектов испытания тщательно очищают от радиоактивных загрязнений сильной воздушной струей, после чего излучение исходит только от тех объектов, в которые через неплотности проник радиоактивный газ. Этим методом можно обнаруживать неплотности с натеканием вплоть до 1,33х
X 10 9—1,3310 10 —. К достоинствам радиационного
способа относятся: высокая чувствительность; дешевизна индикаторных сред; быстрое, равномерное и устойчивое перемещение изотопов вместе с воздухом контрольной среды, чего невозможно достигнуть при использовании гелия и фреона; устойчивая работа автоматики и почти полная независимость ее от окружающей атмосферы.
Недостатком способа, существенно ограничивающим область его применения, является радиационная опасность при работе с радиоактивными веществами.