CC BY
18
УДК 681.5:620.165.29.008.6 (075.8)
Жежера Н.И. ©
Профессор, доктор технических наук Оренбургский государственный университет
ВЛИЯНИЕ НА ДИНАМИЧЕСКУЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ С ЖИДКОСТНЫМ ДИФМАНОМЕТРОМ
Аннотация
Рассмотрена теоретическая оценка динамической чувствительности автоматизированного контроля герметичности изделий с жидкостным дифманометром при изменении параметров устройства. Установлено, что на динамическую чувствительность основное влияние оказывают диаметр трубки жидкостного дифманометра, объем изделия, контролируемого на
герметичность, и объем эталонной емкости. Чем больше объем эталонной емкости, тем меньше динамическая чувствительность контроля герметичности изделий, а чем больше объем изделия, тем больше динамическая чувствительность. Уменьшение диаметра трубки жидкостного дифманометра приводит к существенному увеличению времени запаздывания при контроле герметичности изделий.
Ключевые слова: герметичность, изделие, эталонная емкость, контроль, трубка, жидкостный дифманометр, динамическая чувствительность.
Keywords: integrity, product reference, volume, control, tube, differential manometer fluid, dynamic sensitivity.
Схема базового устройства контроля герметичности изделий газом с использованием жидкостного дифманометра приведена на рисунке 1. Устройство содержит источник контрольного газа 1, эталонную емкость 3, испытываемое на герметичность изделие 4, жидкостный дифманометр 8 с жидкостным поршнем 9, вентили 2, 5, 6, 7 и 10, емкостный измерительный преобразователь 11 и вторичный показывающий прибор 12. Перед подключением изделия 4 к устройству контроля все вентили находятся в закрытом положении.
Рис. 1. Схема устройства контроля герметичности изделий газом с использованием жидкостного
дифманометра
После подключения изделия к устройству контроля герметичности изделий заполняют его газом до заданного давления, для чего открывают вентили 2, 6 и 5. Закрывают вентиль 2 и открывают вентили 7 и 10, через которые подается газ к жидкостному дифманометру, и берется первый отсчет по прибору 12, показывающему положение жидкостного поршня 9 в жидкостном дифманометре 8.
© Жежера Н.И., 2013 г.
Испытывают изделие 4 в течение установленного времени и берут второй отсчет по прибору 12. По разности показаний показывающего прибора 12 делают заключение о герметичности изделия 4. Закончив контроль герметичности изделия, вентили 7, 10 и 5 закрывают и изделие 4 отключают от устройства контроля.
При проектировании устройств контроля герметичности изделий с использованием жидкостного дифманометра важно знать теоретические положения о влиянии сил трения и капиллярных сил [5, 49] на движение жидкостного поршня в жидкостном дифманометре и выбираемый диаметр трубки жидкостного дифманометра [4, 82].
Параметры систем автоматизированного контроля герметичности изделий и параметры испытательной и окружающей среды в условиях эксплуатации изменяются, поэтому изменяется динамическая погрешность. Расчет динамических погрешностей проводят, например, с использованием методов теории чувствительности [1].
Выходной сигнал измерительного устройства зависит от времени и определяется, например, как у^) или С1(1) для устройства с жидкостным дифманометром. Если один из параметров системы автоматизированного контроля герметичности отклоняется на величину а, тогда выходной сигнал будет в виде функции у(^ а), которую представляют, разложив в ряд Тейлора по переменной а. В работе [1] отмечается, что для практических задач достаточно ограничиться рассмотрением первых двух членов ряда Тейлора в следующем виде
y(t,a) = уо(t) + а- 3уУ а - о, (1)
а а
где у0($) - изменение выходного сигнала устройства во времени при номинальных значениях параметров, то есть, когда а = 0.
Множитель при а в выражении (1) обозначается как z1(t), называется функцией чувствительности первого порядка и определяется по выражению
_1^) д y(t,a)|
z (t)- а = о. (2)
а а
Функция чувствительности первого порядка для конкретного измерительного устройства определяется по его передаточной функции [1]
zX(t) - Г1 )3 Щ Р’а)а - о■ Х(р\ (3)
[а а \
где Г 1 - обратное преобразование функции по Лапласу.
Передаточная функция расхода газа Wl (s) через трубку жидкостного дифманометра относительно утечек газа из изделия, испытываемого на герметичность, определяется выражением [3, 47; 6]
W1(s) - ^-1----------------------------------- (4)
11 ' С2 ^) (V1 + V2) Тт + Г (4)
где Gl(t) - массовый расход газа через трубку жидкостного дифманометра 8 (рисунок 1), кг/с; G2(t) - массовый расход газа из изделия 4 в атмосферу, кг/с; Тит - постоянная времени устройства контроля герметичности изделий, с, определяемая по выражению [2] Тит = VI/ kитRT
Т = 128^ ^г1т , р ^ит-р г й , б
или Тит = ,4 „ • kит = ------------; йит, 1т - диаметр и длина трубки жидкостного
пйит Рг ЯТ 128' т г1т
дифманометра, м; цг - динамическая вязкость газа, Н-с/м2; Я - газовая постоянная, м2/(с2-К); Т -абсолютная температура газа, К; VI - объем изделия, м3; У2. - объем эталонной емкости, м3; 5 -оператор Лапласа.
Если подать на вход системы с передаточной функцией (4) единичное возмущение G2(s)=1/s и произвести обратное преобразование по Лапласу, тогда
01(і) =
VI
1 — е Тит
(5)
Определим функцию чувствительности для устройства с жидкостным дифманометром относительно утечек газа из изделия при изменении постоянной времени Тит для различных диаметров трубки жидкостного дифманометра и объемов эталонной емкости и изделия, контролируемого на герметичность. Принимаем, что постоянная времени Тит может изменяться на аит и передаточная функция (4) принимает вид
^1ит(*) ==-
V
1
°2(я) (У11 + ^) (Тит + аитМ + 1 '
Принимая в этом выражении, что единичная функция 02(я) = 1/8, получим функцию чувствительности первого порядка по формуле (3) для устройства с жидкостным дифманометром
*-'(0 = ь 1|і
VI
1
11
3 а(^ + V2) (Тит + аит)я + 1 “ = 0 8
Тит (8 + 1 /Тит)
У і
(6)
1
1
Делаем подстановку в формулу (1) в качестве первого слагаемого выражение (5), которое представляет выходной сигнал при номинальном значении постоянной времени Тмт, а в качестве второго слагаемого - функцию чувствительности первого порядка из формулы (6), принимая, что у(1д ) = Gla (Хд ит )
°1и (гит ) =
V!
Т
1 — е ит
Тит(У1 + ^2 )
V
Т
Є ± ит
(V + У2 )
1—
Т
1!
Т
Є ± ит
(Vl + ї^2 )
1 +
аитП^итРг^Ті Л 128^1 ■ ^г1т
е
П1^глтРг^ Т Т 128^1^г1т
(7)
г
г
г
1
Из формулы (7) следует, чем больше объем эталонной емкости V2, тем меньше динамическая чувствительность контроля герметичности изделий, а чем больше объем изделия VI, тем больше динамическая чувствительность. По формуле (7) проведены расчеты изменения динамической чувствительности устройства системы контроля герметичности изделий для трубок жидкостного дифманометра диаметром 2; 4; 6 и 8 мм при отклонении постоянной времени от номинального значения на 0,1; 0,2; 2,0; 20,0 и 100,0 % (рисунки 2 и 3).
Проведенные расчеты показывают, что для жидкостного дифманометра с трубкой диаметром 6 мм (рисунок 2) изменение постоянной времени до 20 % приводит к незначительному увеличению запаздывания (до 5 с). Для трубки диаметром 4 мм (рисунок 3) изменение постоянной времени до 20 % приводит к увеличению запаздывания до 400 с.
Рис. 2. Изменение чувствительности устройства с жидкостным дифманометром с трубкой диаметром 6 мм при контроле герметичности изделия и отклонении составляющей аит постоянной времени от номинального значения: 1 - аит = 0 % от Тит; 2 - аит = 2 % от Тит; 3 - аит = 20,0 % от Тит
к(і) => 01и7П(і)
Рис. 3. Изменение чувствительности устройства с жидкостным дифманометром с трубкой диаметром 4 мм при контроле герметичности изделия и отклонении составляющей аит постоянной времени от номинального значения: 1 - аит = 0 % от Тит; 2 - аит = 0,1 % от Тит; 3 - аит = 2,0 % от Тит; 4 - аит = 20,0
% от Тит
Таким образом, проведена теоретическая оценка динамической чувствительности автоматизированного контроля герметичности изделий с жидкостным дифманометром при изменении параметров устройства. Установлено, что на динамическую чувствительность основное влияние оказывают диаметр трубки жидкостного дифманометра, объем изделия, контролируемого на герметичность, и объем эталонной емкости. Чем больше объем эталонной емкости, тем меньше динамическая чувствительность контроля герметичности изделий, а чем больше объем изделия, тем больше динамическая чувствительность. Уменьшение диаметра трубки жидкостного дифманометра приводит к существенному увеличению времени запаздывания при контроле герметичности изделий.
Литература
1. Браславский Д. А., Петров В. В. Точность измерительных устройств. - М.: Машиностроение. - 1976. -312 с.
2. Жежера Н. И. Развитие теории и совершенствование автоматизированных систем испытаний изделий на герметичность: дис. д-ра техн. наук: 05.13.06. - Оренбург : ОГУ. - 2004. - 441 с.
3. Жежера Н. И., Самойлов Н. Г. Теоретические положения к устройству измерения динамической составляющей расхода газа // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2012.- №4 (39). - С. 47-50.
4. Жежера Н. И., Абубакиров Д. Р. Испытания с вибрацией изделий на герметичность жидкостью устройством с горизонтальной трубкой // Законодательная и прикладная метрология. М.: - 2007. - № 3. -С. 82-84.
5. Жежера Н. И., Абубакиров Д. Р. Влияние касательных и капиллярных напряжений на движение и диаметр жидкостного поршня горизонтальной трубки устройств испытаний изделий на герметичность // Законодательная и прикладная метрология. - М.: 2006. - № 4. - С. 49-52.
6. Жежера Н. И. Научные основы автоматизации испытаний изделий на герметичность : моногр. / Н. И. Жежера. С грифом Уфимского науч. центра РАН. - Оренбург : ОГУ. - 2003. - 258 с.
