基于二氧化碳傳感器的氣密性檢測方法

趙亞林，王學(xué)影，郭 斌

（中國計量學(xué)院計測學(xué)院，浙江 杭州 310018）

基于二氧化碳傳感器的氣密性檢測方法

趙亞林，王學(xué)影，郭 斌

（中國計量學(xué)院計測學(xué)院，浙江 杭州 310018）

針對當(dāng)前工業(yè)上泄漏檢測方法存在檢測精度低、成本高等缺點，設(shè)計一種微量泄漏檢測方法。該方法利用二氧化碳?xì)怏w作為示蹤物質(zhì)，充滿純二氧化碳?xì)怏w的被測件通過標(biāo)準(zhǔn)漏孔產(chǎn)生泄漏，氣體進(jìn)入檢測容器中，通過二氧化碳?xì)饷魝鞲衅鳒y量檢測容器內(nèi)二氧化碳濃度的變化得到微量氣體泄漏的泄漏率。與工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的氣密性檢測方法相比，該方法在提高準(zhǔn)確度的同時保證測試的準(zhǔn)確性，并且能降低成本。試驗結(jié)果表明：該檢測方法測試的準(zhǔn)確性不受溫度和濕度變化的影響；在不同壓力測試條件下，實測值與標(biāo)準(zhǔn)漏孔參考值誤差＜3%，驗證方法的準(zhǔn)確性；在相同壓力測試條件下，測試結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜5%，實驗重復(fù)性良好。

微量氣體泄漏；二氧化碳?xì)怏w；濃度差；標(biāo)準(zhǔn)漏孔；等效漏率；測量準(zhǔn)確度

0 引 言

隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，氣密性檢測技術(shù)已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。在化工、航空航天、汽車、核電站、國防工業(yè)、食品安全、環(huán)境保護(hù)等方面，任何微小的泄漏都可能引發(fā)重大事故，在導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時還可能危及生命，尤其是有害物質(zhì)泄漏對生態(tài)環(huán)境的不可逆性損害將無法挽回[1]。

根據(jù)不同的工作原理，氣體泄漏檢測方法可以分為：氣泡法、氣壓法、鹵素檢漏法、氦質(zhì)譜法、滲透檢漏法、化學(xué)示蹤物檢漏法和聲波檢漏法等[2]。氣泡法[3]操作簡單，但易受人為因素影響、效率低。氣壓法又可以分為直壓法和差壓法，直壓法[4]操作簡單、成本低、方便實用，但對氣壓傳感器準(zhǔn)確度要求較高且對溫度、體積變化敏感；差壓法[5]準(zhǔn)確度比直壓法高、檢測成本低，但檢測周期長、難以提高準(zhǔn)確度。鹵素檢漏法[6]操作簡單、可確定泄漏位置但需要回收氣體。氦質(zhì)譜法準(zhǔn)確度高、無污染，但成本高、操作難度大。

目前國內(nèi)外眾多公司開發(fā)出了很多成型的壓差泄漏檢測儀，但這些檢測儀器的檢測效率和準(zhǔn)確度以及檢測的重復(fù)性都有待提高[7]。為了提高檢測的準(zhǔn)確度，本文提出了一種基于二氧化碳傳感器的氣體微量泄漏檢測方法。

1 檢測方法原理

基于二氧化碳傳感器的氣密性檢測方法是一種通過測量檢測容器內(nèi)二氧化碳?xì)怏w的濃度變化來計算泄漏量的檢測方法，其基本原理如圖1所示。二氧化碳?xì)怏w傳感器置于檢測容器中，檢測工件也密封于檢測容器中。給檢測工件充入一定壓力的純二氧化碳?xì)怏w；二氧化碳傳感器負(fù)責(zé)周期性地采集檢測容器中的二氧化碳?xì)怏w濃度，當(dāng)檢測工件有泄漏產(chǎn)生時，即使是很微小的泄漏，檢測容器內(nèi)二氧化碳?xì)怏w的濃度將逐漸升高，二氧化碳傳感器將產(chǎn)生一個與泄漏量相關(guān)的輸出信號。通過讀取檢測容器內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w濃度值，計算得到檢測工件的具體泄漏率。

氣源1為系統(tǒng)提供二氧化碳?xì)怏w，其連接氣動二聯(lián)件2，氣動二聯(lián)件可以調(diào)節(jié)供氣管路的氣壓、過濾二氧化碳?xì)怏w雜質(zhì)并實時顯示氣壓值；真空泵8為被測件形成真空提供動力；真空過濾器9負(fù)責(zé)清除空氣中的微粒雜質(zhì)，為系統(tǒng)提供一個良好的真空環(huán)境；真空調(diào)壓閥10控制管路的真空度并實時顯示真空度值；氣壓傳感器7、17監(jiān)測被測件及檢測容器內(nèi)的氣壓值；二氧化碳傳感器18固定在檢測容器20內(nèi)，實現(xiàn)檢測容器內(nèi)二氧化碳濃度、溫濕度和壓力數(shù)值的及時反饋，并通過研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1711將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)中；電磁閥控制通斷邏輯,兩位兩通電磁閥具有單向密封的特性，即從IN口向OUT口可以實現(xiàn)密封隔斷，而反向則不行[8]。所以，為了保證測試時系統(tǒng)泄漏合乎標(biāo)準(zhǔn)，各電磁閥的接口方向有一定要求，如圖1所示。

圖中二氧化碳傳感器18屬于氣敏傳感器，氣敏傳感器是一種檢測特定氣體在單位空間內(nèi)分子數(shù)目的傳感器，主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等[9]。本文采用的NDIR紅外CO2傳感器是目前最可靠以及最準(zhǔn)確的CO2氣體傳感器技術(shù)。其核心是美國GE T6615型雙通道傳感器，其中二氧化碳通道用于測量氣體濃度，另一個參考通道用于測量傳感器信號強(qiáng)度。其檢測范圍寬、零點漂移小、靈敏度高、無需加熱、對泄漏反應(yīng)快速，并能實現(xiàn)連續(xù)檢測。

根據(jù)該傳感器的性質(zhì)，得到本文檢測工件的泄漏率公式：

式中：ρ1——檢測容器內(nèi)開始檢測時的二氧化碳濃

度值，cm3/m3；

ρ2——檢測結(jié)束時的濃度值；

V1——檢測容器體積，mL；

V2——被測工件體積，mL；

t——檢測時間，s；

圖1 微量氣體泄漏測試氣路原理圖

Q——泄漏率，mL/min。

本文中使用二氧化碳?xì)怏w作為示蹤氣體，其檢測得到的泄漏率不能等效為空氣泄漏率，因此所得結(jié)果需要等效換算。

本實驗所采用的標(biāo)準(zhǔn)漏孔是在環(huán)境溫度為（20± 5)℃，入口壓力為表壓100 kPa（±5%)，出口壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的干燥空氣 （露點溫度低于-25℃)條件下，通過漏孔的泄漏率為0.19mL/min的燒結(jié)型標(biāo)準(zhǔn)漏孔。

在分子流下，一種氣體的漏率可以轉(zhuǎn)換成相同溫度下的任何其他氣體的漏率，如下式所示：

式中：Q1、Q2——氣體1、2的漏率；

M1、M2——氣體1、2的摩爾質(zhì)量。

由式（1)、式（2)可計算出等效漏率Q等效，如下式所示：

2 檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢測裝置的硬件組成部分主要有電源、數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)、硬件電路部分、氣路部分和機(jī)械工裝夾具。圖2為硬件結(jié)構(gòu)框圖，反映了各部分協(xié)調(diào)工作的原理。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機(jī)是整機(jī)硬件的核心，數(shù)據(jù)采集卡通過接線端子板、功率放大板以及調(diào)理電路、轉(zhuǎn)換電路與整機(jī)系統(tǒng)中的氣壓傳感器、二氧化碳傳感器、電磁閥等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PCI-1711采集傳感器輸出的AI信號送交計算機(jī)分析處理，并輸出DO信號給電磁閥，控制工裝夾具動作和測試氣路狀態(tài)，從而實現(xiàn)裝夾、測試的過程，DO信號同時控制指示燈進(jìn)行聲光報警以及不合格提示。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢測裝置的硬件組成部分主要包括電磁閥控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算模塊、通信模塊等。其檢測過程為：檢測開始前系統(tǒng)自動完成封堵夾緊作業(yè)；檢測開始，打開抽氣電磁閥，調(diào)節(jié)真空調(diào)壓閥，將被測件的氣壓抽至-100kPa，抽氣延時到位；關(guān)閉抽氣電磁閥打開充氣電磁閥，通過電氣比例閥調(diào)整壓力至額定工作值，充氣延時到位，關(guān)閉充氣電磁閥；等待氣體穩(wěn)定（為10 s)，使檢測系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定；通過對被測件容器的壓力和檢測容器的壓力、二氧化碳濃度值進(jìn)行實時測量，獲取被測容器泄漏率；檢測完成后，排出氣路中的氣體。其檢測流程圖如圖3所示。

圖3 檢測程序流程圖

3 實驗結(jié)果分析

實驗開始前，利用氦質(zhì)譜儀進(jìn)行泄漏檢測系統(tǒng)自身的氣密性檢測，在室溫、測試壓力500kPa條件下，檢測容器泄漏率為4.68mL/h，根據(jù)ISO 10297——2006[10]標(biāo)準(zhǔn)中，對可運(yùn)輸氣瓶閥的氣密性試驗要求小于6mL/h為不漏，可認(rèn)為檢測容器無泄漏。在氣源的壓力作用下，被測件中壓強(qiáng)迅速升至測試壓強(qiáng)；充氣時間為10s，再經(jīng)過10s的穩(wěn)定時間后，容器內(nèi)部壓強(qiáng)基本穩(wěn)定，此時打開泄漏閥，氣體快速通過標(biāo)準(zhǔn)漏孔泄漏，檢測容器內(nèi)二氧化碳濃度變化。根據(jù)二氧化碳濃度變化值可以計算出被測件的泄漏率。

圖4為采用該檢測方法在各測試壓力條件下，檢測容器中二氧化碳濃度的測量結(jié)果。

圖4 各測試壓力條件下二氧化碳濃度

從圖中可以看出，t=30s時泄漏閥打開，氣體快速通過標(biāo)準(zhǔn)漏孔泄漏，檢測容器內(nèi)二氧化碳濃度開始變化；t=90 s時關(guān)閉泄漏閥；經(jīng)過一段時間的平衡后，檢測容器內(nèi)二氧化碳濃度值趨于穩(wěn)定。根據(jù)檢測容器內(nèi)穩(wěn)定時二氧化碳濃度平均值與泄漏閥打開前濃度平均值的差值，代入式（3)計算出被測件的泄漏率，如表1所示。

圖5為各測試壓力條件下，氣體微量泄漏測量所得泄漏率與標(biāo)準(zhǔn)漏孔參考值的對比。

從圖中可以看出：采用本文的測量方法得到的泄漏率較參考值小，隨著壓力的上升，兩者差值逐漸增大但誤差都小于3%。這主要是因為該方法采用氣敏傳感器檢測氣體微量泄漏，氣敏傳感器本質(zhì)上是測試大分子物質(zhì)在單位體積內(nèi)的大分子數(shù)量，檢測容器內(nèi)測試壓力每變化0.1 kPa受壓強(qiáng)變化的影響為當(dāng)前傳感器讀數(shù)的0.1%，氣體微量泄漏使得檢測容器壓強(qiáng)產(chǎn)生微小幅度上升，壓強(qiáng)對微量泄漏實驗結(jié)果影響較小。這屬于實驗系統(tǒng)誤差，可以進(jìn)行修正補(bǔ)償。并且實驗采用純二氧化碳?xì)怏w，避免了混合氣體在泄漏過程受到摩爾質(zhì)量和分壓力分?jǐn)?shù)的影響。

表1 氣體微量泄漏的測量結(jié)果

圖5 實測值與參考值對比圖

表2為測試壓力（300±5)kPa、溫度（23±0.5)℃、相對濕度（11%±0.5%)RH條件下，單件重復(fù)測量50次的測試結(jié)果。

表2 單件重復(fù)測量50次的測試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差式（4)、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差式（5)所示，對表2進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計算。

Leak detection method based on carbon dioxide sensor

ZHAO Yalin，WANG Xueying，GUO Bin
（College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

To solve the low detection accuracy and high cost of current industrial air-leakage detection methods，a new trace leak detection method with carbon dioxide as a tracer was developed.Pure CO2gas in the measured parts entered a detection container through standard leaks，and the changes in CO2gas concentration in the detection container was measured with a CO2gas sensor to obtain the gas leakage rate.Compared with the conventional gas-tightness detection methods used in industrial production，the proposed method has improved the detection accuracy and reduced the detection cost.The experimental data show that the accuracy of the method is no longer affected by changes in temperature and humidity.The error between the measured and reference leak value is less than 3%under different pressures，which has verified the accuracy of the method.In the same pressure，the relative standard deviation of the test results is less than 5%，which has verified the experimental reproducibility.

trace gas leak；CO2；concentration difference；standard leak；equivalent leak rate；detection accuracy

A

：1674-5124（2015）10-0030-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.007

2015-04-12；

：2015-06-06

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃（2014C31105)

趙亞林（1989-)，女，云南宣威市人，碩士研究生，專業(yè)方向為汽車零部件和精密儀器檢測。