测试氦质谱检漏仪线性的一种新方法.pdf
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- 测试 氦质谱 检漏 线性 一种 新方法
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2 0 1 1 年4 月 第2 期 中国空间科学技术 C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 测试氦质谱检漏仪线性的一种新方法 王勇 孙立臣 闰荣鑫孙立志 ( 北京卫星环境工程研究所,北京1 0 0 0 9 4 ) 摘要根据氦质谱检漏仪中机械泵的抽速在某真空范围内恒定的特性,首次提出了一 种考察检漏仪线性能力的新方法,并通过试验验证了该方法的合理性。该方法通过调整检 漏仪的入口压力来改变进入检漏仪的气体流量,对于氯气浓度恒定的混合气体则可以改变 进入检漏仪中的氦气流量,从而改变检漏仪的输出读数;通过分析检漏仪的入口压力与最 终输出读数间的关系考察检漏仪的线性能力。结果表明:该方法简便、成本低廉,测试范 围涵盖了工程常用的漏率范围。 关键词逆流氯质谱仪检漏线性航天器 D ( ) I :1 0 3 7 8 0 j i s s n 1 0 0 0 7 5 8 X 2 0 1 1 0 2 0 0 6 1引言 航天器的密封性能指标是衡量航天器品质优劣的一个重要参数,它直接关系到航天器发射和在 轨运行的成功与否【l 一,微小的漏孔也可能造成巨大的损失【2 。因此,在航天器的研制过程中要进行 严格的密封性能测试。目前,航天工业中涉及的密封性能测试方法主要有氦质谱吸枪检漏法、氦罩 法、氦质谱非真空积累检漏法、氦质谱真空室法等L 2 _ 3 J ,根据实际工程的需要分别应用于不同的场 合,如:氦罩法应用于航天产品电子元器件的密封性能测试,氦质谱真空室法应用于航天部组件产 品的密封性能测试等。虽然测试方法各异,但都有一个共同的特点,即都使用氦质谱检漏仪。氦质 谱检漏仪是密封性能测试系统中最为核心的设备,在测试过程中通常扮演着线性比较器的角色。而 作为比较器而言,最为重要的特性就是线性。所谓线性是指检漏仪的输入( 一般指氦气的流量) 与检 漏仪的输出是线性关系的。 但迄今为止,鲜有学者对检漏仪的线性进行定量的研究。兰州物理研究所曾有人研究过检漏仪 的线性,其过程是改变进入检漏仪中的氦气浓度,从而改变检漏仪质谱室中的氦气分压,使得检漏 仪的输出改变 。当然,这是传统方法。本文提出一种新方法,根据一类氦质谱检漏仪中机械泵 的抽速在某真空范围内恒定的特性,改变检漏仪的入口压力,再用检漏仪嗅探氦气浓度恒定的混合 气体来改变进入检漏仪中的氦气流量,最终改变检漏仪的输出读数;通过考察检漏仪的入口压力与 最终输出读数间的关系考察检漏仪的线性能力。 2 理论分析 氦质谱检漏仪的原理是将进入质谱室中的混合气体进行电离,形成具有一定能量的离子。这些 收稿日期:2 0 1 0 0 9 1 6 。收惨改稿日期:2 0 1 0 一1 卜0 5 万方数据 4 0中国空间科学技术 离子由于质荷比的不同,在分析器中将按不同轨迹运动 从而彼此分开,仅使氦离子在收集极上收集并最终放大 显示。常见的两种氦质谱检漏仪有直流氦质谱检漏仪和 逆流氦质谱检漏仪,工程中往往采用后者。它是利用高 真空泵的压缩比与被抽气体质量有关的原理来工作的。 气体的质量越小,压缩比也就越小,因此逆扩散的示漏 气体的分子数就越多,这些逆扩散的分子进入质谱室, 最终形成了检漏仪的输出读数。本文将主要研究L e y b o l d 公司的P h o e n i x L 3 0 0 逆流氦质谱检漏仪。 P h o e n i X L 3 0 0 逆流氦质谱检漏仪的原理见图1 。在 检漏时,通常采用G r o s s 模式,此时检漏仪的入口压力 P l 2 0 P a ( 入口压力2 0 P a 是G r o s s 模式和F i n e 模式的 分界点。当P 。 2 0 P a 时,是G r o s s 模式;而当P 。 3 0 P a ,则机械泵的 抽速将不随着入口压力的变化而变化,故公式( 2 ) 中的 抽速S 。将是某恒定值。 检漏仪的输出值与进入检漏仪的氦气流量关系为 o # g 3 0 P a ,则检漏仪的 输出值J 与检漏仪的人口压力P 。成正比。也就是说,如果公式( 5 ) 成立,则可以证明公式( 3 ) 成立。 万方数据 2 0 1 1 年4 月中国空间科学技术 3 试验验证 为了验证公式( 5 ) 的正确性,设计了以下试验。在 相对密闭、无明显空气流动且温度几乎保持不变的空间 中,如航天器的总装、测试和试验( A I T ) 的工装间,通 过调节检漏仪的入口压力来观察检漏仪的输出值,以此 来考察检漏仪入口压力与检漏仪读数的关系。大气中的 氦气的体积比为5 1 0 ,是廉价而均匀的混合气体。 在相对密闭、无明显空气流动的空间中,能够保证空气 中氦气的浓度保持不变。为了能更加真实地证实理论分 析的结果,分别在不同时刻、由不同测试者进行试验, 测量检漏仪的输出值。图3 为G r o s s 模式下某时刻所测 得的输出值f 与入口压力P 。之间的关系曲线。由图3 望 E 南 色 彳 2 瓷 P ,l0 2 P a 图3G r o s s 模式下输出值1 与 人口压力P 。之间的关系图 F i g 3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u tv a l u eI a n di n p u tp r e s s u r eP lu n d e rG r o s sm o d e l 可以看出,检漏仪的输出值与人口压力的关系是线性的,且该线性拟合的决定系数R ( 为自变量解 释因变量变化百分比的度量,数值越接近于1 ,表明回归就越成功) 接近于1 。因此,L 3 0 0 检漏仪 在G r o s s 模式下具有较好的线性。由图3 还可以看出,L 3 0 0 检漏仪在G r o s s 模式下,在1 1 0 _ 7 1 1 0 _ 6 P a m 3 s 的范围内具有良好的线性。而这一阶段,恰好是我们所最为关注的。 由不同测试者得到的试验数据的重复性较好,这里不再一一给出曲线图。这就在某种程度上说 明了该试验现象具有普遍性。与此同时,在不同时刻由不同测试者所测的口值非常接近,可以看成 是某固定值,见表1 。这样就证明了公式( 5 ) 的正确性。 表1不同时刻的a 值及其误差 T a b 1 口a n di t se r r o r sa td i f f e r e n tt i m e 时刻口值? ( m 3 s 1 ) 均值口( m 3 s1 ) 误差 13 1 3 1 0 9 3 6 9 23 3 1 1 0 9 1 8 5 33 2 9 1 0 93 2 5 l O 一91 2 3 43 2 8 1 0 - 91 0 0 03 2 4 1 0 。一O 3 1 由公式( 3 ) 还可知,当所测气体浓度固定时,口值只与检漏仪自身的参数相关,因此,口值是反 映检漏仪本质属性的参数。 4 结束语 本文以理论分析和试验研究为手段,通过考察检漏仪的入口压力与最终输出读数间的关系研究 了检漏仪的线性能力,从而改变了传统的通过改变所测气体的浓度而测试检漏仪线性的方法,这就 为测试检漏仪的线性提供了一种新的方法。借鉴本文的方法,还可以通过配置较高氦气浓度的混合 气体( 比大气中的氦气本底高) 用来测试其他范围内( 如,1 1 0 _ 6 1 l o 。P a m 3 s ) 检漏仪的线 性能力。需要指出的是,本文的测试方法仅适用于当检漏仪的入口压力改变时,抽速并没有改变的 检漏仪。 万方数据 参考文献 1 王勇,闫荣鑫航天器氦质谱吸枪检漏法的不确定度评定研究 J 中国空间科学技术,2 0 1 0 ,3 0 ( 4 ) : 7 卜7 5 W A N GY O N G ,Y A NR O N G X I N U n c e r t a i n t ye v a l u a t i o no nt h es n i f f i n gp r o b em e t h o do fh e l i u mm a s ss p e c t r o m e t e rl e a kd e t e c t o rf o rs p a c e c r a f t J c h i n e s es p a c es c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,2 0 1 0 ,3 0 ( 4 ) :7 1 7 5 2 吴孝俭,闫荣鑫泄漏检测 M 北京:机械工业出版社,2 0 0 5 3 4 W UX I A O J I A N ,Y A NR O N G X I N I 。e a kt e s t i n g M B e 订i n g :C h i n aM a c h i n eP r e s s ,2 0 0 5 王勇,闰荣鑫,黄锡宁吸枪检漏法的原理研究 J 航天器环境工程,2 0 1 0 ,2 7 ( 3 ) :3 5 1 3 5 3 w A N GY O N G ,Y A NR O N G X I N ,H u A N Gx I N l N G T h epr i n c i p er e s e a r c ho nt h es n i f f i n gp r o b l em e t h o d J S p a c e c r a f tE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g 。2 0 1 0 ,2 7 ( 3 ) :3 5 1 3 5 3 李莉氮质谱检漏仪线性实验研究 E B O L 兰州物理研究所 2 0 0 9 一0 5 一0 4 h t t p :w w w c h i n e s e v a c u u m c o m S h o w A r t i c le a s p x ? i d 一2 6 8 5 0 L IL 1 L i n e a re x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h eh e l i u mm a s ss p e c t r o m e t e rI e a kd e t e c t o r E B 0 L L a n z h o uI n s t i t u t e o fP h y s i c s 2 0 0 9 一0 5 一0 4 h t t p :w w w c h i n e s e v a c u u m c o m s h o w A r t i c l e a s p x ? i d = 2 6 8 5 0 作者简介 王勇1 9 8 2 年生,2 0 0 8 年获哈尔滨工程大学固体力学专业博士学位,工程师。现从事航天 器装配与测试技术研究工作。 AN e wM e t h o df o rT e s t i n gL i n e a rP e r f o r m a n c eo f H e l i u mM a s sS p e c t r o m e t e rL e a k e rD e t e c t o r W a n gY o n gS u nL i c h e nY a nR o n g x i nS u nL i z h i ( B e i j i n gI n s t i t u t eo fS p a c e c r a f tE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ,B e i j i n g1 0 0 0 9 4 ) A b s t r a c tB a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tp u m p i n gs p e e do ft h em e c h a n i c a lp u m pw a sc o n s t a n t w i t h i nac e r t a i np r e s s u r er a n g e ,an e wm e t h o df o rt展开阅读全文
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