大型真空系统氦检漏率的快速准确检测方法

                                           西北核技术研究所　作者：廖旭东

    大型真空系统检漏往往耗时长、效率低。本文分析了氦气通过漏孔进入氦质谱检漏仪形成检漏信号的规律，并据此建立检漏信号数学模型，确定漏孔的最终稳态泄漏信号。基于上述分析，提出漏孔漏率的一种快速预测方法。该方法用于大型真空系统检漏能准确预测被检部位的漏率，能显著缩短检漏时间，提高检漏效率。

　　当前，大型真空系统被广泛应用于航空航天、核电及高能物理等领域，为了确保这些系统能顺利达到规定的真空度（及洁净度），在合理设计真空获得系统的基础上，必须使装置的泄漏低于允许限值。

　　大型复杂系统的氦质谱检漏历来是劳动强度大、专业素质要求高、耗时长而繁琐的任务，某些应用领域对检漏结果的准确性要求也很高。由于大型真空系统的响应时间长，所需持续施氦并监测的时间往往很长。为了实现漏孔的快速准确检测，需采用一种既不影响检漏灵敏度，又能缩短检漏时间、提高检漏效率的方法。本文分析了检漏信号的形成过程、检漏数据变化规律，建立动态氦质谱检漏信号的数学模型，基于该模型进行数据拟合分析推算，提出一种漏率快速准确检测的方法。

1、氦质谱检漏信号分析

　　以单一漏孔（可看作一条粗细均匀的圆管）的氦泄漏信号为例，分析检漏信号的形成规律。检漏仪质谱室中氦分压建立是一个动态过程：氦气通过单一漏孔直接进入到检漏仪，一部分在检漏仪质谱室中建立氦分压，另一部分被真空系统抽走。氦分压与单位时间进入质谱室的氦气量、检漏仪质谱室处的氦抽速有关。当初始氦分压为零或可以补偿至零时，其函数关系见式（1）。

                 图1 检漏信号变化特征曲线

　　公式（1）反映了检漏仪质谱室内氦分压与时间的关系，而检漏仪测量信号同质谱室内的氦分压线性对应，也具有同样的变化规律。当本底为零时,检漏信号与喷氦或充氦后的检漏时间有如下关系：
　　（1）施氦最初t＝0，检漏信号为0；
　　（2）检漏信号随喷氦检漏时间延续而增大，检漏时间足够长，即t→∞ 时测量信号达最终稳定值，也是最大值QHe/SHe；
　　（3）系统反应时间τ 决定检漏信号变化的快慢。检漏时间持续到系统反应时间τ 的3 倍时，测量信号将达到最终稳定值的1- e- 3=95%；检漏时间持续到系统响应时间的5 倍时，测量信号将达最终稳定值的1- e- 5=99%，此后继续延长检漏时间，测量信号的增量也不会超过最终稳定值的1％。

　　通常对检漏结果不确定度没有特殊要求的情况下，为了提高检漏效率，持续施氦时间超过检漏真空系统响应时间3τ 后，即确定测量信号已达到最终稳定值的95%以上，则可以读取检漏信号。实际检漏过程中，受检漏系统最小可检漏率δQ 所限，当充氦时间足够长以致仪器无法分辨氦泄漏信号的微小增量时，检漏仪就会以一个稳定的示值输出。通常情况下该稳定示值与漏孔真实漏率的偏差小于δQ/Q0×100％。也就是说，检漏结果同漏孔真实漏率的偏差不仅与施加示漏气体后读取信号的时机有关，也与系统的最小可检漏率相关。根据密封安全要求，合理确定检漏方法、搭建检漏系统并标定后，检漏结果的精准度主要取决于持续供氦后的监测时间[5~6]。

2、漏率快速准确检测方法探讨

　　基于上述检漏仪实测信号的分析，对于大空腔抽真空检漏，检漏真空系统的响应时间较长，由公式（1）和图1 可知，检漏信号若要达到绝对稳定所需持续供氦与监测的时间很长。为了保证检漏结果的准确性，即便监测时间设定为3 倍的系统响应时间，完成检漏仍将需要很长的时间。实际上对于单一漏孔，其检漏信号有典型规律可循（上节已作详细分析），如果能根据前期较短时间的检漏数据及其信号规律来预测出测量信号的最终稳定值，对被检漏孔的漏率做出准确预估，理论上是完全可行的，从而不必保持很长的供氦及候检时间来等待仪器示值最终稳定。这种漏率快速检测方法将显著提高大空腔抽真空检漏的效率。

3、应用实例

　　在某大容器整体负压检漏中，因系统响应时间较大，该容器上某被检部位的检漏信号呈缓慢上升趋势。按上述漏率预测方法，分别取前15 min和35 min 的检漏数据，采用一阶指数衰减函数模型对该检漏信号拟合，绘制曲线见图4。其中，L5 为实测数据连线，L6、L7 分别是用前15 min 和35 min 的检漏数据进行一阶指数衰减拟合获得的曲线。

               图4 某大容器实测检漏信号及其拟合曲线

　　由拟合结果分析可知，按前15 min 和35 min的检漏数据进行拟合，求得检漏信号（即A1 值分别是652 mV 和658 mV） 同实际测得检漏信号（662mV）之间的相对偏差均小于2%。根据拟合与实测所得的检漏信号同标准漏孔校准信号比对，求得被检部位的最终稳定漏率均为1.4×10- 8 Pa·m3/s。

　　这就是说，对于这种简单漏孔，在准确掌握其检漏信号形成规律的前提下，根据前15 min 的检漏数据可以准确预知其实际漏率；持续延长泄漏监测的时间，检漏最终结果的准确性改善程度有限。

4、结束语

　　根据上述理论分析、实验研究及实际应用情况，本文提出以下漏率快速准确检测方法：在能够准确掌握漏孔的氦泄漏信号形成规律前提下，通过建立其数学模型，代入早期足量检漏数据以拟合分析出检漏信号的时间函数，实现漏孔漏率的准确速判。这将显著提高大型真空系统的负压检漏效率。