一種差壓式氣密性檢測方案及其誤差分析

胡牡香， 曾燦燦， 陳靜

（1.蘇州中材建設有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.西南科技大學，四川 綿陽621000）

0 引言

目前，在制藥、醫療器械、電氣、汽車等行業內，都會用氣密性檢測儀對瓶、罐、管等進行氣密性檢測[1]，常見的檢測方法有冒泡法、聲發射式檢測法、差壓式檢測法等[2-3]其中差壓式氣密性檢測方法是常用的檢測方法。差壓式氣密性檢系統在檢測過程中并不能直接檢測到容器內氣體泄漏率，而是通過其他測量參數間接測量容器內氣體泄漏率。任何測量結果中都會包含一定的測量誤差，所以有必要正確分析和綜合各個誤差因子對測量結果的影響。

1 差壓式氣密性檢測法

1.1 差壓式氣密性檢測原理

差壓式氣密性檢測原理是以理想氣體狀態方程為基礎，通過檢測容器內部的壓力變化來計算出氣體的泄漏率。一定容積的容器在泄漏一定量的氣體后，容器內部的壓力相對于之前會有一個壓降，因此，可以通過測量一定時間內容器內部的壓降值來計算出容器內部氣體的實際泄漏率。其工作原理如圖1所示。

圖1 差壓式檢測原理

差壓式氣密性檢測分為4個過程[4]：1）初始化過程。在此過程中，工人對檢測參數進行相應的設置，設置完成后，系統進行開機檢查，包括氣源壓力、外部大氣壓等，并使氣缸和閥門復位。2）充氣過程。當氣源壓力達到測試壓力后，打開進氣閥，關閉排氣閥，向標準容器和待測件容器內通入氣體，直至兩側容器內的氣體壓力達到檢測所需要的壓力，此過程才結束。3）穩壓過程。此時進氣閥與排氣閥均關閉，兩個容器經過短時間保壓后，差壓傳感器采集壓力差數據，經過模數轉換，系統自動計算出泄漏量的大小。4）排氣過程。此時進氣閥關閉，排氣閥打開，將容器內的氣體排出，完成整個檢測過程。

1.2 氣體泄漏率的計算公式

在理想氣體狀態下，容器內部氣體泄漏前后存在一定的數值關系為

式中:P0為大氣壓，Pa；PT為穩壓階段儲氣瓶內的壓力，Pa；VL為大氣壓下泄漏氣體體積，mL；ΔV為穩壓階段儲氣瓶內氣體泄漏體積，mL。

通過式（1）只能求得容器內部泄漏氣體的體積，無法直接測量得到容器內部氣體泄率，但可以通過式（2）計算出容器內部氣體的壓強變化，通過傳感器能直接測量容器內部的壓力，從而可以計算出被測物體內部泄漏率的大小。

式中：V為容器體積，mL；ΔP為容器內氣體壓力變化量，Pa。

整理式（1）和式（2）后得到：

則被測物體的內部氣體泄漏率QL可表示為

式中，t為穩壓時間，s。

利用理想氣體狀態方程求解氣體泄漏量的過程如圖2所示。

圖2 氣體泄漏過程

2 誤差分析

根據誤差的特點和性質，誤差可分為系統誤差、隨機誤差和粗大誤差[5]。粗大誤差可通過直觀判斷后及時剔除；隨機誤差可通過多次測量后求取平均值的方法得到減??；系統誤差可通過修正值法得到減小。

2.1 系統誤差的計算

系統氣體泄漏率的傳遞公式已由式（4）表示出，即QL=f（ΔP;V;P0;t），根據誤差的獨立作用原理，現對各測量值求偏導：

根據系統誤差理論，可知函數的系統誤差ΔQL為

式中：Δ（ΔP）為差壓計的系統誤差，Pa；ΔV為直接測量容器容積的系統誤差，mL；ΔP0為直接測量大氣壓的系統誤差，Pa；Δt為系統的延時誤差為各個直接測量值的誤差傳遞系數。

進行系統誤差修正后的容器內氣體泄漏率的真實值為

2.2 誤差分配

上一小節介紹了系統誤差的計算，但在實際工作中，為了保證測量精度，往往會先給定測量結果的允許誤差，然后再合理地分配各個單項誤差?，F假定氣體泄漏量的相對誤差為ω，則根據式（4）可知氣體泄漏量的絕對誤差δQL為

已知測量項有4項，即n=4。按照等作用分配原則分配誤差，則可知直接測量值ΔP、V、P0和t的極限誤差分別為：

根據等作用原則分配誤差可能會出現分配不合理的情況，需要根據實際情況，選用精度合適的測量工具，以保證測量精度。若選用的測量工具的極限誤差分別為±δΔP′、±δV′、±δP0′和±δt′，則根據這四項直接測量參數得到的氣體泄漏率的極限誤差為

3 結論

通過式（9）可知，在理想氣體狀態條件下，影響QL測量精度的因素分別為：1）差壓計的測量精度；2）容器容積的測量精度；3）大氣壓力的測量精度；4）穩壓階段的延時精度。然而QL還可能會受到實際工作條件的影響，如：1）環境溫度的變化，會造成氣壓的波動；2）電磁閥密封不好，會造成容器內的氣體泄漏；3）氣源壓力波動，會造成容器內壓力波動。

本文介紹的一種誤差分配的方法，可以有效地解決容器氣密性檢測儀器的誤差分配問題。正確認識誤差的產生原因，既可以消除或減小誤差，又可以在最經濟的條件下，獲得最高的測量精度。