泄漏檢測(cè)中的流量法及其適用性分析

朱正德/大眾動(dòng)力總成（上海）有限公司

密封性是一項(xiàng)重要的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，而作為密封性監(jiān)控手段的泄漏檢測(cè)技術(shù)經(jīng)多年的發(fā)展和完善，現(xiàn)已相當(dāng)成熟。由專業(yè)化廠商生產(chǎn)的商品化程度很高的定型產(chǎn)品形式多樣，已能在很大程度上滿足各種用戶的不同需要。

在多種監(jiān)測(cè)方法中，壓力法是應(yīng)用最多的一種，所采取的直壓法（又稱絕對(duì)壓力法）或差壓法，已為用戶所熟悉，但對(duì)于在汽車行業(yè)發(fā)揮著重要作用的另一類流量式泄漏檢測(cè)技術(shù)，相應(yīng)的介紹和人們的了解就少得多。

1 壓力法檢漏的局限性

密封性測(cè)試的實(shí)質(zhì)是檢測(cè)被測(cè)物的泄漏率Q，Q是單位時(shí)間內(nèi)在一定測(cè)量壓力下泄漏到標(biāo)準(zhǔn)大氣中的氣體體積，用ml/min或L/h表示。壓力法是依據(jù)泄漏而引起測(cè)量壓力變化這一原理，再利用氣體壓力的變化量間接地來(lái)求出泄漏率Q。通過(guò)對(duì)檢測(cè)過(guò)程做一些假設(shè)，如氣體的不可壓縮、等溫狀態(tài)、被測(cè)物體容積沒(méi)有變化、視測(cè)量壓力無(wú)劇烈變動(dòng)等，就能近似地確定兩者之間的關(guān)系，其表達(dá)式為：

式中：Q— 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的泄漏率ml/min；

Δp — 壓力降（變化量）Pa；

V— 被測(cè)系統(tǒng)容積 ml；

tm— 檢測(cè)時(shí)間 s；

patm— 大氣壓（patm=1.013×105Pa）。

在大多數(shù)情況下，應(yīng)用壓力法泄漏檢測(cè)對(duì)于待測(cè)密封性的汽車零部件乃至總成是適用的、有效的。但從式（1）可見(jiàn)，當(dāng)被測(cè)物容積V較大，檢測(cè)時(shí)間較短，而泄漏率Q又不大時(shí)，壓力法的局限性就顯現(xiàn)出來(lái)了。

下文以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)總成的密封性檢查為例，通過(guò)分析予以驗(yàn)證。

已知：總成的油腔允許泄漏率為25 ml/min

油腔的容積為20000 ml

測(cè)量時(shí)間為10 s

假設(shè)壓力降的測(cè)量誤差為10 Pa

把以上數(shù)據(jù)代入式（1），可以得到用壓力法進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生的誤差：

由于允許的泄漏率僅為25 ml/min，而測(cè)量誤差將達(dá)到Q值的近50%，顯然是不能被用戶接受的。另一方面，雖然把時(shí)間延長(zhǎng)到60 s，可以使上述誤差降至2.0 ml/min，但相應(yīng)之前的平衡時(shí)間也得延長(zhǎng)，以減少被測(cè)物內(nèi)腔的壓力不穩(wěn)定。這樣一來(lái)，整個(gè)工作節(jié)拍將被大大拉長(zhǎng)，更是難以實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，以上假設(shè)壓力降測(cè)量誤差為10還是在比較理想的狀態(tài)下，這項(xiàng)誤差除了檢漏儀自身精度外，還包括夾具、封堵部位和環(huán)境的影響。10 Pa一般是指相對(duì)而言精度較高的差壓式測(cè)量裝置，對(duì)直壓式泄漏檢測(cè)裝置，測(cè)量誤差往往會(huì)達(dá)到20～30 Pa，從而引起更大的ΔQ。以上實(shí)例帶有普遍性，其他如變速箱總廠、缸蓋分裝總成、缸體或變速箱殼體等的情況相似。

此時(shí)，被測(cè)物密封性檢測(cè)的最佳選擇就是采用質(zhì)量流量法進(jìn)行檢漏。

2 用于工件密封性測(cè)試的質(zhì)量流量法

質(zhì)量流量法傳感器采用熱量式（風(fēng)速計(jì)）工作原理，顯示的檢測(cè)結(jié)果直接為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的泄漏率。所謂標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，指的是在一個(gè)大氣壓和0℃條件下的狀態(tài)。這種情況下所輸出的泄漏測(cè)量信號(hào)不僅與工件被測(cè)腔的容積無(wú)關(guān)，又不受測(cè)量壓力變化的影響，而這一點(diǎn)給使用者帶來(lái)了在系統(tǒng)設(shè)置和校準(zhǔn)時(shí)的簡(jiǎn)化和方便。此外，利用質(zhì)量流量法檢漏可最大限度地縮短密封測(cè)試時(shí)間，又具有較高的準(zhǔn)確度，因此已得到了相當(dāng)多的應(yīng)用。

圖1是質(zhì)量流量法泄漏檢測(cè)的示意圖，其檢漏過(guò)程如下：調(diào)壓器調(diào)制到規(guī)定壓力；關(guān)閉旁路閥和傳感器閥，打開(kāi)充氣閥和儲(chǔ)氣罐閥，向儲(chǔ)氣罐充氣；當(dāng)壓力監(jiān)控傳感器顯示已達(dá)到額定充氣壓力后，關(guān)閉充氣閥，打開(kāi)旁路閥和開(kāi)啟閥，從而向工件充氣；在被測(cè)件內(nèi)腔經(jīng)充氣和一段時(shí)間的穩(wěn)定后，關(guān)閉旁路閥，打開(kāi)傳感器閥，進(jìn)入測(cè)量階段；若被測(cè)工件存在泄漏，則在測(cè)量階段由于工件內(nèi)腔相對(duì)儲(chǔ)氣罐閥的壓力差就會(huì)導(dǎo)致氣體從罐向工件的流動(dòng)；最后，通過(guò)流經(jīng)傳感器的氣流，利用質(zhì)量流量法計(jì)算出該被測(cè)件的泄漏率。

圖2則形象地反映了上述測(cè)量系統(tǒng)的檢漏過(guò)程。

圖1 小泄漏質(zhì)量流量法工作示意

圖1所示的系統(tǒng)適宜于被測(cè)工件泄漏率較小的情況，一般為100 ml/min 左右（及以下），其測(cè)試精度很高。正因?yàn)槿绱耍擞糜诹悴考?、總成的檢漏外，還能用來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵件的內(nèi)漏。

圖2 小泄漏質(zhì)量流量法檢測(cè)過(guò)程

對(duì)于被測(cè)件泄漏率較大，達(dá)到200 ml/min或更大些，而工件節(jié)拍依然較高，即測(cè)試時(shí)間較短的情況，就得選用圖3所示的質(zhì)量流量法檢漏系統(tǒng)。相比圖1，主要是取消了應(yīng)對(duì)被測(cè)內(nèi)腔用于穩(wěn)定測(cè)試壓力的儲(chǔ)氣罐這一環(huán)節(jié)，并選用了量程較大的流量傳感器。當(dāng)然這樣一來(lái)示值的分辨率和檢測(cè)精度會(huì)降低一些。圖3所示的測(cè)量系統(tǒng)主要可用于發(fā)動(dòng)機(jī)中氣門與缸蓋（氣門）座圈間的泄漏量檢測(cè)，以及各種節(jié)流閥的流量測(cè)試等場(chǎng)合。對(duì)于前者，泄漏率一般達(dá)到200～400 ml/min。圖4反映了上述檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)漏過(guò)程。

圖3 大泄漏質(zhì)量流量法工作示意

質(zhì)量流量法檢漏儀的使用量遠(yuǎn)低于壓力式檢漏儀的一個(gè)重要原因是價(jià)格因素，高出30～40%的投入在較大程度上制約了企業(yè)的選擇。

3 體積流量法泄漏檢測(cè)

壓力法檢漏和質(zhì)量流量法檢漏主要適合于以機(jī)加工方式成形的零部件、總成的密封性測(cè)量，此時(shí)的生產(chǎn)節(jié)奏較快、檢測(cè)精度要求較高，而被測(cè)件的泄漏率一般較小，最多也就數(shù)百毫升/分，極大部分在100 ml/min以下。但在汽車制造業(yè)中也不乏這樣的需求，即可能通過(guò)的被檢流量（如以“泄漏率”表示的形式）較大，而對(duì)于測(cè)試的精度要求則不是很高，只具有監(jiān)測(cè)甚至是監(jiān)控性質(zhì)的作用，此時(shí)就更適宜采取體積流量法。圖5是體積流量法的檢漏工作原理示意圖，這種方法本質(zhì)上還是利用了差壓式工作原理，即以差壓式傳感器作為測(cè)量器件，再結(jié)合層流管的工作特性來(lái)間接地求出流量。在規(guī)定的量程以內(nèi)，流體（氣體）在通過(guò)由眾多細(xì)小管道組成的層流管時(shí)產(chǎn)生層流，由此在兩端產(chǎn)生的壓力降△p與通過(guò)的流量Q成正比。其關(guān)系式：

圖4 大泄漏質(zhì)量流量法檢測(cè)過(guò)程

其中：ρ—流體的密度；

L—層流管的長(zhǎng)度；

Ri—組成層流管的細(xì)小管道之內(nèi)徑；

Q—流量，即泄漏率；

Δp—層流管兩端的壓差。而流量正是通過(guò)安裝在層流管兩端的差壓式傳感器測(cè)出的壓差△p，利用式（2）求得的。

體積流量法最有代表性的應(yīng)用之一，就是為涉及整車燃油系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)的需求，如密封性、通氣性和脫附試驗(yàn)的生產(chǎn)一致性檢查提供相應(yīng)的測(cè)試手段。

4 燃油系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)示例

圖5 體積流量法工作原理

轎車的燃油系統(tǒng)主要由油箱、油管、閥、發(fā)動(dòng)機(jī)、碳罐等零部件組成。在低污染排放小汽車的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，燃油系統(tǒng)的密封性、通氣性和脫附試驗(yàn)已被列入環(huán)保生產(chǎn)一致性檢查的要求。相關(guān)的規(guī)定如下：在碳罐通大氣的出口被封堵后，向油箱入口施加3.63 kPa±0.10 kPa的壓力，壓力穩(wěn)定后斷開(kāi)氣源，要求5 min 內(nèi)壓力降低不大于0.49 kPa（密封性）；通氣性試驗(yàn)的前半部分操作與密封性完全相同，但在壓力源斷開(kāi)后，隨即撤去碳罐封堵，此時(shí)燃油系統(tǒng)的壓力應(yīng)在0.5 ～2 min內(nèi)降到0.98 kPa 以下，脫附試驗(yàn)則可以用相當(dāng)于流量為1 L/min 時(shí)的壓力降或直接測(cè)得的流量值作為評(píng)定指標(biāo)。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，設(shè)置在碳罐脫附口前的檢測(cè)儀表的示值應(yīng)大于1 L/min。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以上測(cè)試必須在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，即在工況條件下完成。

具備在線檢測(cè)特點(diǎn)的相應(yīng)專用設(shè)備中，均采用了體積流量法泄漏檢測(cè)技術(shù)和以層流管/差壓式傳感器的組合作為檢測(cè)元件，下面就以涉及燃油系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備中最有代表性的脫附試驗(yàn)裝置作為案例詳細(xì)介紹。

在燃油系統(tǒng)（見(jiàn)圖6）中，碳罐起到了凈化（燃）油蒸氣、減少環(huán)境污染的作用。如虛線箭頭線所示，當(dāng)油蒸氣從油箱通過(guò)管道和保壓（單向）閥進(jìn)入碳罐時(shí)，罐中活性炭的吸附作用使其得到凈化，期間單向閥開(kāi)啟，電磁閥關(guān)閉，這個(gè)過(guò)程稱為碳罐的吸附過(guò)程。而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，如實(shí)線箭頭線所示，管路中的電磁閥打開(kāi)，單向閥關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)的負(fù)壓導(dǎo)致外部氣流從碳罐大氣口進(jìn)入罐內(nèi)，產(chǎn)生沖刷作用，將碳罐中的汽油分子掃到進(jìn)氣歧管中燃燒，恢復(fù)碳罐內(nèi)活性炭的活力，這個(gè)過(guò)程稱碳罐的脫附過(guò)程。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行脫附試驗(yàn)，其目的就是為了確認(rèn)轎車燃油系統(tǒng)工作的有效性。

圖6 燃油系統(tǒng)的組成及其運(yùn)行

圖7 脫附試驗(yàn)專用檢測(cè)裝置的工作原理

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，研制了圖7所示專用檢測(cè)裝置，其核心是測(cè)出流量的層流管，它與碳罐的脫附口相接。流量是通過(guò)安裝在層流管兩端的壓差傳感器測(cè)出的。系統(tǒng)中的壓力傳感器（圖7左）能測(cè)出脫附口處的負(fù)壓值，利用計(jì)算機(jī)可以建立流量與負(fù)壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從溫度傳感器獲得的信息則提供了對(duì)測(cè)得的流量值進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，以提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。層流管的另一端經(jīng)貯氣罐與一個(gè)二位三通電磁閥相連接，由此可生成兩種脫附試驗(yàn)方式：與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的常規(guī)試驗(yàn)和與負(fù)壓發(fā)生器相連的替代試驗(yàn)。

[1] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. GB18352.2 — 2001[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[2] 朱正德. 關(guān)于制造過(guò)程中密封性指標(biāo)的監(jiān)控. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)[J]. 2002（1）.

[3] 朱正德. 談?dòng)糜谌加拖到y(tǒng)的泄漏檢測(cè)裝置.上海計(jì)量測(cè)試[J]. 2004（6）：25-28.