text: 真空测量与检漏第六讲：真空系统常用检漏方法（1）
  1 充压检漏法充压检漏方法是在被检容器或工件内充入一定压力的检测气体，然后将被检测件浸入或在其外表面涂满显示液体，如果有漏孔，气体便通过漏孔流出，并在漏孔处形成气泡，气泡形成的地点就是漏孔的位置。根据气泡形成的速率、气泡大小及所用检测气体和显示液体的物理性质，可以大致估算出漏率的大小。1 水槽气泡检漏法水槽气泡检漏法是采用水槽内的水作为显示液体。将被检件内充入干燥空气或氮气（一般不宜采用管道压缩空气或气泵压缩气体，因其中含有灰尘、油蒸气等污染物，污染试件且易堵塞漏孔），然后将其放入到清洁的水槽中，当漏孔存在时，气体就通过漏孔逸出并在水中形成气泡。漏孔对空气的漏气率可用下式近似估算式中  — 漏孔对空气的漏气率，Pa.m／s；— 大气压力，Pa；p— 充入空气的绝对压力，Pa；d — 气泡直径，m；n — 气泡个数形成速率，l／s。用肉眼观察时，一般可根据以下三种情况来粗略判定被测系统的漏气率：① 气泡小，形成速率均匀，气泡持续时间长，其漏率范围大约为10～10Pa.m／s；② 随机的大小气泡混合出现，其漏率范围约为10～10Pa.m／s；③ 气泡大，形成速率快，持续时间短，其漏率范围约为10～1Pa.m／s。2 皂膜气泡检漏法皂膜气泡检漏法采用肥皂液作为显示液体。该法适用于被检件尺寸较大，不能用水槽法检漏的大型部件、壳体容器等工件。将被检件内充入一定压力的试验气体后，在其外表面可疑处涂抹肥皂液，当有漏孔时，就会在漏孔处出现肥皂泡。当漏孔很小时，形成的气泡很小组成一堆白色的泡沫。观察时一定要细心，并要多观察一段时间。此法最小可检漏孔漏率约为10Pa.m／s数量级。3 检漏时的注意事项① 根据被检件的机械强度选定充入气体的压力；② 检漏前要对被检件进行认真的清洁处理，去掉焊渣、油污和灰尘，以便疏通漏孔；③ 工作场地要光线充足，水要清洁透明（或肥皂液要稀稠适当）；④ 要认真区分真漏和虚漏（表面吸附气体形成的气泡），如发现漏孔，要及时做好标记，经复查确认是漏孔后进行补焊；⑤ 如使用氢气作为示漏气体时，要特别注意安全。2真空计检漏法在真空系统正常抽气已达到动态平衡时，利用各种相对真空计的读数与被测气体种类有关的性质，使用真空设备上已有的真空计进行检漏的方法、统称为真空计检漏法。1 热传导真空计检漏法热传导真空计（电阻真空计和热偶真空计）的指示值不仅与气体压力有关，而且还与气体种类有关。当示漏物质通过漏孔进入被检真空系统时，不但改变了其内部压力，也改变了其中的气体成分，从而使热传导真空计的读数发生变化，据此可检示出漏孔的存在，并且从仪表指示的改变值估算出漏率的大小。这种方法最小的可检漏率一般为1×10Pa·m／s。2 电离计检漏法电离计检漏是超高真空系统最常用的检漏方法，其工作原理是利用气体电离后产生的离子流大小来反映压力的变化，不同气体的电离电位不同，所以电离计的读数与气体的种类有关。当将试漏气体施于可疑漏点处时，如有漏孔，示漏气体将通过漏孔进入被检件中，引起其中气体成分的改变，离子流就相应地发生变化，电离计的读数也将发生相应地变化，从而指示出漏孔的位置，并可根据电离计读数变化量的大小来估算出漏率的大小。该方法应用方便简单，所有电离计都可以在其工作压力范围内用来进行检漏，只受电离真空计的最小压力读数限制。为获得最高的检漏灵敏度，应该选择一种合适的试验气体，用它取代空气时规管的读数差别最大。这不仅决定于真空规对两种气体的灵敏度，而且取决于泵对气体的抽速，进而取决于泵的类型。对于用扩散泵系统抽气时的漏气分两种情况：一是漏气率很小，属于分子流状态；二是漏气率很大，经过漏孔的气流属于粘滞流状态。当漏气率很小时，不论使用何种试验气体，由于经过漏孔的分子流似乎被合理地抽除了，所以被测系统内的压力几乎不变。这是因为漏气率和抽速都与气体质量的平方根有关，真空室内的压力为式中，Q、Q分别为对空气和试验气体的漏气率；S、S分别为抽气系统对空气和试验气体的有效抽速。因为用试验气体取代空气时，实际压力是不变的，所以对于扩散泵抽气系统，就必须通过选择试验气体以提高真空规的灵敏度，从而使表观指示的压力变化最大。对于B－A规，宜选用氦气作为试验气体。虽然有机气体例如丁烷，相对于氮气的规管灵敏度较高，但是，不是十分必要时尽量不用有机蒸汽检漏，以兔污染真空系统。对于漏气率大的情况，不同气体的抽速不同；粘滞流漏气率也不同。气体粘滞系数η与分子质量平方根和直径d有关，即氦气的分子质量和直径都比空气小，因而粘滞系数小，漏气率大并大于抽速的增加，结果使压力读数增大。不同类型的抽气系统应该使用不同的试验气体。离子泵系统对惰性气体的抽速比活性气体小。所以用氦气作为试验气体时，抽速较低，因而压力会升高，但这可能会抵消电离计对氦气的灵敏度降低，因此离子泵抽气系统不宜用氦气作为试验气体。对于较重的惰性气体例如氩气，相对于氮气的灵敏度是1.5，连同抽速小导致压力升高，必定使压力读数显著增大。测量表明，对于氩气的抽速最大也不过是氮气的25％，对于漏气率小的用离子泵抽气的被测系统来说，电离计的读数差是相当大的，因而离子泵系统适宜用氩气作为检漏试验气体。涡轮分子泵系统的抽速与气体种类无关，压缩比与气体种类有很大关系，随m指数的变化而改变。例如涡轮分子泵对氮气的压缩比为8×10，对氦气仅为2.5 ×10。这表示，在前级压力为1Pa情况下，泵对氮气能抽到～10Pa，但不能对氦气抽到低于5×10Pa。如果漏气率小到使系统的压力低于5×10Pa，则氦气经漏孔进入时，系统压力将显著升高，尽管真空规对氦气的灵敏度比空气低，但读数仍然变化很大，这可能会抵消真空规灵敏度的降低，从而使电离计检漏失效。对低温泵系统来说，因为低温板不能有效地抽除氦气，所以压力会升高，这可能会抵消真空规灵敏度的降低。因此宜采用CO和O作为检漏试验气体。在正常电离计中，当试验气体引入时，真空计的表头读数或者是负，或者是正，这决定于使用的气体和漏气率的大小等。电离规最小可检漏气率为10～10Pa.m.s。3 示漏物质及检漏注意事项真空计检漏法的示漏物质有气体和有机溶剂两类，常用的有氢气、二氧化碳、丁烷、丙酮、乙醇、乙醇等。一般来说，气体比有机溶剂好。采用真空计检漏法时应注意以下事项：1）被检件内必须达到动态平衡后才能进行检漏，否则，因其压力变化，将影响仪表的指示，而且要反复进行验证；2）真空电离计本身的电子线路要稳定，规管温度也要稳定，以免出现虚假漏气信号；3）热传导真空计惰性较大，要观察足够长的时间。电离真空计检漏，要防止外界高频电场和强磁场对电离真空计的干扰。3离子泵检漏法离子泵检漏方法是离子泵无油抽气超高真空系统常用的一种检漏方法。离子泵检漏系统如图3-25所示。离子泵的平衡电离电流正比于压力，其绝对值与泵内气体成分有关。当检漏试验气体经漏孔进入泵内而改变气体成分时，平衡电流便会发生变化，因此离子泵可用作检漏传感器。加在离子泵上电压的变化会引起电离电流的变化，因而使用这种检漏法时必须充分地稳定泵的电源电压。通常在需要用离子泵检漏时，用一带有电压稳定器和电流变化探测器的装置与不稳定电源相连接。这种装置的配置如图3-26所示。因为离子泵和电源分别接地，所以电流必须在高压线路内测量。为了安全起见，要求电流变化的测量表头装在接近地电位处。可用光电耦合来克服这个矛盾，光电发射体置于高压电路内，而光电探测器则置于表头回路内。当被测气体的成分变化时，不仅由于电离系数不同而改变电流，而且也会对泵的抽速产生影响，改变泵内压力，进而改变电流。如果用氩气作为试验气体，则电流增大；如用氧气作为试验气体，则电流减小。最小可检漏气率达10Pa.m.s 。图3-25 离子泵检漏系统：1－示漏气体喷枪 2－真空规3、4、5－阀门 6－接抽气系统图3-26 离子泵检漏装置离子泵检漏方法所用装置结构简单，用一般无油抽气系统即可，而且可用多种示漏气体，如氩、氢、氧、二氧化碳等。4 卤素检漏法卤素检漏仪是带有特殊检漏传感器的仪器。它虽然不如电离规灵敏，但是其最小可检漏气率可达到10～10Pa..m.s，该方法是工作在超高真空上限压力范围的真空系统所经常采用的检漏方法。卤素检漏仪根据表面电离现象及卤素效应工作。如图3-27所示，它由检漏管和测量单元两部分组成。检漏管与被测系统连接（与真空规管连接方法类似），被检系统一般应抽到1～10Pa以上的真空度。当在检漏管的发射极（铂丝）F与收集极C之间加以50～500V直流电压，发射极铂丝被加热到800℃以上时，其表面即可发射正离子，发射的本底值由μA表指示出来。正离子流I的大小除决定于加热温度外，还与气体种类有关，特别是遇到卤素气体后，正离子流I将急剧增大。因此若系统有漏孔时，示漏气体将经过漏孔进入到检漏管内，产生卤素效应，使正离子流I剧增，并由μA电流表反映出来，同时附接的扬声器将发出嘎嘎声，据此可确定漏孔的位置，并可粗略地估计漏率的大小。图3-27 卤素检漏仪工作原理图图3-28 卤素检漏仪外探头结构图:F－灯丝；A－铂筒阳极；K－阴极；l吸咀；2外壳；3吸气扇检漏管内发射极发射的离子流随温度升高而增大，而本底发射的离子流和检漏信号电流一起增大。实践经验表明，当用卤化物气体例如氟里昂R-12（CClF）作为示漏气体时，对于存在最好信噪比的发射极铂丝最佳温度约800℃。当对内部充有卤化物的密闭系统进行检漏时，可将卤素检漏仪制成吸气外探头形式，此时检漏仪工作于真空系统外的大气中，如图3-28所示，而系统内充入压力超过大气压的卤素气体（或卤素与空气的混合气体）。这种方法常用于冰箱、空调等装置的检漏。使用卤素检漏仪时应注意：1）被检件在检漏前应进行清洁、干燥处理；2）卤素气体的扩散系数小，充入被检漏系统后，需要等待一段时间，待内部浓度均匀后再进行检漏；3）卤素气体较空气重，为了避免出现虚假信号，应该从被检件下部开始检漏，逐次向上；4）检测时探头或喷枪的移动速度要适当，一般应小于3cm/s；5）探头或喷枪喷吹示漏气体时，在一处停留时间不要过长，以防检漏管中毒（即本底信号过大，致使无法进行检漏）。5 高频火花检漏仪检漏方法1 高频火花检漏仪的特点高频火花检漏仪实际上是一个小功率的高频、高压的塔式线圈，利用其尖端产生的高频火花搜寻漏孔。它主要是用于检漏玻璃系统或器件，亦可用于检漏金属系统，但需利用金属系统上的玻璃规管或盲管。其主要优点是结构简单、使用方便。常见的高频火花检漏仪，根据其产生高频、高压的方法，基本上可分为两种类型：电容电感串联谐振式（有恒流变压器）和振动子式。电容电感串联谐振式高频火花检漏仪的优点是火花束强、振荡较稳定。缺点是需要用一个恒流变压器，故体积较大、笨重，使用不够方便。振动子式高频火花检漏仪的优点是不需用恒流变压器，体积小，轻便．但振荡不够稳定。2 高频火花检漏仪的检漏方法A 火花法火花法只适用于玻璃系统或器件的检漏。检漏时用放电尖端搜寻漏孔。若没有漏孔，放电尖端产生的火花束在玻璃表面上不规则地跳跃，并向四周发散；遇有漏孔时，因大气经过漏孔进入被检真空系统，当放电尖端移到漏孔处时，就将该气流电离，被电离气体的导电率远大于玻璃的导电率，所以分散的火花束就集中起来形成一个细长明亮的火花束，其尾端正好指向漏孔。这样便可判断被检系统或器件是否有漏孔及漏孔所在的位置。B 放电法放电法既适用于玻璃系统的检漏，也适用于金属系统的检漏，但用于金属系统的检漏时，需借助于玻璃规管或盲管。放电法是利用低真空中气体放电的颜色进行检漏的。当检漏仪放电尖端的火花打在真空度为几千～1Pa的真空系统的玻璃壁上时，因感应会使系统内的气体产生辉光放电。放电颜色与气体种类有关，各种气体或蒸气在真空中放电的颜色如表3-16所示。检漏开始时，系统内是空气，其辉光呈紫红色。此时，若用蘸有乙醚、酒精、丙酮、汽油或其它一些易挥发的碳氢化合物的棉花在被检系统的外表面涂擦或喷射时，如有漏孔，则乙醇等物质的蒸气会通过漏孔进入被检系统，立刻使辉光颜色变成蓝色，据此可以判定是否有漏孔及漏孔的所在位置。高频火花检漏仪适用的压力范围为10～10Pa，其最小可检漏率为10～10Pam.s。表3-16 各种气体或蒸汽在真空中的放电辉光颜色3 使用高频火花检漏仪应注意的事项1）在检漏前，应将玻璃表面或内壁粘附（或夹杂）的金属粉屑等清除干净。否则由于金属粉屑的存在会造成错误的信号，或在金属粉屑处将系统烧穿。2）在检漏过程中，要适当调节火花束，使束流不要过强；在搜寻漏孔时，不可在一处停留时间过长，否则系统会因局部受火花灼热而被打穿。3）不可将放电尖端移到易燃烧物质附近，以免引起火灾。4）避免人体触及放电尖端，以防触电。5）在用高频火花检漏仪检漏时，要考虑放电火花对真空测量的影响。放电火花能使去气不良的系统器壁放气，因而使真空系统的真空度降低；反之，如果真空系统去气良好，则放电火花会激起真空系统内的气体放电，因而使真空系统的真空度提高。6 超声波检漏技术超声波检测技术适用于大型真空系统的泄漏检测，如火力发电厂真空系统泄漏的检测等，与传统的真空系统检漏方法（如氦质谱检测、氟里昂检测以及蜡烛检测等）相比，利用超声波技术检测真空系统泄漏，具有检测简单、准确、成本低，一个人便可操作完成等特点。人类的平均听觉限度是16.5kHz，而超声波技术涉及20kHZ以上。当真空系统泄漏的气体流过泄漏孔时，气体的流动是一个从层流到湍流的过程，由此产生了一系列的声音，即所谓的“白噪声”，白噪声中包含的声波频率非常广泛，既有人类可听频率，又有超声频率。通过检测泄漏而产生的声波便可查出泄漏。通过研究发现，用人类可听频率段检测，很难检测到泄漏的声音（特别是微漏时），因为泄漏发出的“白噪声”声强I与声波频率ω的平方成正比，其声强表达式为  （3-33）式中 ρ——空气密度；v——声波在空气中传播的速度；ρv——声波在空气中的声阻抗；——声波幅值；ω——声波频率。由声强表达式可见，泄漏点产生的超声波声强最大，所以检测起来非常容易。并且通常在 真空系统中超声频段的干扰噪声源和干扰噪声强度远远小于声频段，因此泄漏的“白噪声”中超声波成分非常容易分离出来。检测原理如框图3-29所示，当真空系统泄漏而产生超声波时，超声波传感器检测接收泄漏的超声波信号并将其转换成电信号。放大器将传感器输出的电信号放大以便下一步处理，滤波器滤掉或削减检测环境中的干扰噪声，从而使泄漏的声音更加清晰。显示器显示出收到的泄漏超声波的强度大小，即泄漏量的相对大小。真空系统泄漏率与泄漏超声波信号的关系为logy＝ a＋ b.logx  （3-34）式中 y——真空系统泄漏率；x——泄漏超声波信号幅值；a、b——实验常数。外差调频是把泄漏超声波转换成人类可听频率，经功率放大器进入可隔离外界噪声的大功率耳机，当有泄漏时便可听到清晰的“嘶嘶”声。传感器可采用谐振式高灵敏度压电式传感器，其幅频函数为式中 ω——传感器固有谐振频率；k——传感器阻尼比；S——灵敏度。图3-29 检测系统原理框图选择传感器固有频率ω处为检测工作点频率，既强化了泄漏信号，又削减了其他干扰信号。用三个压电传感器串联组成相控阵，可有效强化信号，这样即使微弱泄漏的超声波信号也可探测到。检测时可把传感器朝向被检设备进行扫描，若某部位有泄漏，传感器便可收到泄漏的超声波而转换成电信号，传感器收到泄漏超声波信号最强的指向既为泄漏点。应用超声波技术进行真空系统泄漏检测时有几个需要特别注意的问题：1）传感器的输出阻抗特别大，放大器需具有较高的输入阻抗。2）传感器信号电压的变化范围大，一般由微伏数量级到接近伏数量级。要求放大器具有足够大的放大能力，具有抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力，并具有较大的输出动态范围。3）滤波器采用窄带通滤波器，中心频率与传感器固有谐振频率相同，以便更好地排除干扰噪声，这一点在背景噪声严重的实际检测中特别重要。*未完待续，下一讲：真空系统常用检漏方法（2）点击文章头部合集可查看更多讲座内容丨⏩一分钟带你了解真空定向凝固技术时速1000公里的真空管道列车试验线丨丨原来3D打印运用了这么多真空技术丨燃料电池的发展与真空检漏技术丨认识国际先进真空互联综合实验装置丨iPhone14 那些关于真空的核心科技丨真空感应熔炼炉主流结构及未来发展丨无液氦稀释制冷机卡脖子技术突破丨探寻我国最大空间环境模拟器KM8丨40国用15年建造27公里超高真空管道丨20米高的超大真空室是用来做什么的