原工质检漏方法原理及应用场合

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:王凡

原工质检漏方法原理及分类

  原工质检漏是利用被检件内部填充的工作介质作为示漏气体,实现被检件漏率测量的一种方法。当采用原工质检漏时,被检件内部在检测前已经填充了示漏气体,不需要额外的充压设备。如果被检件有漏孔存在,被检件内部的示漏气体就会通过漏孔泄漏到被检件所处的周围环境中,采用大气取样或真空收集的方式将泄漏出来的气体引入到测量传感器内部即可实现被检件泄漏检测,经常使用的传感器是质谱计。

  原工质检漏一般适用于无法采用氦质谱检漏法或压力变化检漏法的场合,在航天产品领域,原工质检漏方法主要应用于发射场卫星推进剂、火箭共底危险气体、镍氢蓄电池和空间站舱外气体泄漏检测等场合,但是随着航天工业的发展,真空技术网(www.chvacuum.com)有理由相信原工质检漏方法的应用也将越来越广泛。

卫星推进剂泄漏检测方法

  卫星推进剂泄漏检测主要采用质谱计和化学检测管联用的方法对空气中甲基肼、无水肼、四氧化二氮进行检测。检测系统示意图如图3 所示。测量时,利用取样泵的抽气能力将远端的气体引到检测系统内,进入检测系统的气体可以部分进入化学检测管实现大泄漏量定期测量部分气体进入质谱室,实现微小泄漏量连续测量。

卫星推进剂泄漏检测系统结构示意图

图3 卫星推进剂泄漏检测系统结构示意图

  此外,为了确保测量结果的准确性,采用TLD -1型有毒气体检测仪对卫星周围环境及星内进行定期检测。该仪器采用化学纸带和光比色相结合的方法实现漏率的精确测量,检测灵敏度可以达到20 ppb 量级。

火箭共底危险气体泄漏检测方法

  火箭共底危险气体泄漏检测采用β-FD 型放射电离规( 简称β 规) 进行总压力测量和质谱计进行分压力测量相结合的方法实现。检测系统结构示意图如图4 所示,主要由气体成分分析装置、抽空装置和压力测量装置组成。其中,压力测量装置用于共底内压力总压力测量,核心部件是一台只β 规。气体成分分析装置用于对共底内氢、氧浓度进行监测,其核心部件为一台质谱计。抽空装置用于共底的抽空和气体取样。当共底内氢浓度和总压力达到危险值时系统给出报警信号,从而实现火箭低温级共底的安全监测。火箭共底安全监测系统是火箭发射场工作的标配仪器之一,已经应用于历次发射场火箭共底危险气体泄漏检测工作,准确率达到100%。

共底安全监测系统结构示意图

图4 共底安全监测系统结构示意图

镍氢蓄电池泄漏检测方法

  镍氢蓄电池检测采用类似氦质谱真空压力法实现镍氢蓄电池的泄漏量测量,测量传感器为质谱计。测量系统结构图如图5 所示,主要由质谱分析部分和样品检测部分组成。当检测时,镍氢蓄电池放置在检漏室内,由于镍氢蓄电池结构为全密封金属罐体结构,罐内装有工作介质和氢气,在电池不充电情况下,电池内氢气压力约为常压( 0.1 MPa) ,当电池充满电时,电池内氢气压力会上升至数个MPa,如果电池罐体有泄漏,充电前后氢气泄漏量会明显上升,通过比较充电前后质谱室内氢气分压力的变化量实现氢泄漏量测量。

镍氢蓄电池检漏系统结构示意图

图5 镍氢蓄电池检漏系统结构示意图

  镍氢电池检漏工作起初是为了开展长寿命通信卫星研制工作的需要,目前已经广泛应用于各类深空探测航天器的镍氢蓄电池研制工作中,是评价镍氢蓄电池在轨工作寿命的关键手段之一。

空间站舱外气体泄漏检测方法

  空间站舱外气体泄漏检测方法主要是利用空间站在轨运行的太空属于高真空条件,当舱体发生泄漏时,会导致漏孔周围空间的压力会上升,从而实现漏率测量。目前成功应用的方法主要有指向规法和质谱计法,其中指向规法采用高灵敏度真空规实现空间站周围气体总压力的测量,通过比较测量点压力与空间舱外周围空间压力的差别实现漏率测量; 采用质谱计的分压力测量原理,通过测量漏孔周围某种特质气体的分压力变化情况实现泄漏量测量。

  在指向规法检漏方面,上个世纪70 年代,NASA 马歇尔空间飞行中心( MSFC) 开展了用于空间环境下使用的指向规检漏仪研制工作,所研制的检漏仪原打算用于空间站和航天器的舱外在轨检漏工作。俄罗斯研制了一种双探头指向规式手持舱外检漏仪,从1993 年开始在“和平号”空间站上进行科学实验,1998 年“和平号”空间站因撞击发生泄漏时,该仪器用于在轨泄漏位置的探测。在质谱计检漏方面,NASA 已研制成功一种名叫微量气体分析仪( Trace Gas Analyzer-TGA) 的仪器,用于空间站宇航员出舱活动过程中的泄漏检测工作,能实现空间站舱外冷却系统氦泄漏、推进剂泄漏、空间站密封舱体泄漏等检测工作。该仪器的关键部件是一台微型四极质谱计,能实现氨、肼、氮和氧等气体的分压力测量。目前,TGA 检漏仪被放置在空间站内,处于待命状态。

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