Вакуумметрический метод мониторинга герметичности крупных технических объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Скрябнев, Артем Юрьевич

• Скрябнев, Артем Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скрябнев, Артем Юрьевич

Общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Цель работы.

Научная новизна.

Практическая ценность.

Автор защищает.

Достоверность полученных результатов.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем работы.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Течение газов через элементы вакуумных систем.

1.2. Исследование молекулярных потоков в вакуумных системах.

1.3. Вакуумметрические преобразователи.

1.3.1. Теория тепловых преобразователей.

1.3.2. Конструкция тепловых преобразователей.

1.3.3. Магнитные преобразователи давления.

1.3.4. Комбинированные датчики.

1.4. Мониторинг герметичности крупных технических объектов.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Теоретический анализ течения газа через дефекты оболочки вакуумных аппаратов.

2.1. Течение через круглый канал при произвольном режиме течения газа.

2.2. Течение газа через щелевой канал при произвольном режиме течения газа.

2.3. Течение через круглый канал при одновременном существовании нескольких режимов течения газа.

2.4. Течение газа через щелевой канал при одновременном существовании нескольких режимов течения.

2.5. Сравнительный анализ методов расчета газовых потоков через условные течи.

2.6. Выводы к главе 2.

Глава 3. Моделирование молекулярных потоков.

3.1. Содержательная постановка задачи.

3.2. Математическая постановка задачи.

3.3. Алгоритм и программа моделирования.

3.3.1. Ввод данных.

3.3.2. Счетчик частиц.

3.3.3. Запуск частицы.

3.3.4. Полет частицы между слоями.

3.3.5. Сортировка.

3.3.6. Обработка результатов.

3.4. Молекулярные потоки без ЭВТИ.

3.5. Молекулярные потоки с ЭВТИ.

3.5.1. Распределение молекул с ЭВТИ.

3.5.2. Распределение давления между слоями ЭВТИ.

3.6. Оценка погрешности моделирования.

3.6. Выводы к главе 3.

Глава 4. Вакуумметрические преобразователи.

4.1. Исследование пределов теплового преобразователя.

4.2. Проектирование и исследование комбинированных преобразователей.

4.3 Выводы к главе 4.

Глава 5. Мониторинг герметичности крупных космических аппаратов.

5. ¡.Введение.

5.2. Распределение плотности газа, вытекающего из КА в собственную атмосферу.

5.3. Возможные технологические схемы реализации мониторинга герметичности.

5.3.1. Локализация и измерение величины течи с помощью космонавта или робота.

5.3.2. Локализация и измерение течи с помощью подвижной платформы.

5.3.3. Локализация и измерение течи с помощью закрепленных вакуумметрических преобразователей.

5.4. Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вакуумметрический метод мониторинга герметичности крупных технических объектов»

Герметичность крупных технических объектов, таких, например, как космические станции или хранилища ядерных отходов, является обязательным условием их эксплуатации. Разгерметизация космической станции во время полета может привести к тяжёлым последствиям, таким как выход из строя дорогостоящего оборудования или гибель космонавтов.

Во время изготовления крупные технические объекты проверяются на герметичность методом щупа при помощи гелиевых течеискателей. Однако применяемая для этих целей аппаратура слишком громоздка и не может быть использована для проверки герметичности во время эксплуатации.

Система непрерывного измерения давления внутри космического корабля позволяет зафиксировать появление крупных течей, минимальная величина

О о которых составляет 10 м Па/с. При деградации сварных швов и во многих других случаях возникновению больших течей предшествует появление малых течей, которые могут являться средством диагностики возможности возникновения чрезвычайных ситуаций. Причиной возникновения малых течей также может являться воздействие организмов бактерий на корпус космической станции.

Малые течи опасны тем, что их возникновение приводит к неучтенному перерасходу газов, обеспечивающих жизнедеятельность и поддерживающих определенный уровень давления внутри космических аппаратов и станций. Запасы этих газов ограничены, следовательно, незапланированный перерасход, особенно при длительных полетах, может привести к неблагоприятным последствиям.

Условия длительного полета космических аппаратов, например международной космической станции, таковы, что внутри аппарата обеспечивается атмосферное давление, а давление снаружи составляет порядка с п

10" .10' Па. При возникновении течей, выходящии газ вносит существенные изменения в параметры собственной атмосферы станции.

2 6 3

Для измерения малых течей от 10 до 10" м -Па/с перспективным является создание систем мониторинга герметичности с измерением распределения давления в собственной атмосфере космического аппарата. Для реализации таких систем необходимо создать специальную аппаратуру, которая должна обеспечивать достаточную чувствительность, удобство применения и иметь небольшие габариты. Для определения момента разгерметизации необходимо обеспечить непрерывность измерений, т.е. мониторинг герметичности.

Цель работы

Целью данной работы является разработка вакуумметрического метода мониторинга герметичности крупных технических объектов. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

• Выполнить теоретический анализ течения газа через дефекты оболочки крупных технических объектов работающих в условиях вакуума;

• Выполнить моделирование молекулярных потоков, возникающих в случае образования течи;

• Разработать вакуумметрические преобразователи, которые позволяют измерять давление в широком диапазоне;

• Разработка концепции мониторинга герметичности крупных технических объектов, работающих в вакууме.

Научная новизна

Выполнено теоретическое исследование и получены зависимости величины газового потока через дефекты оболочки в виде канала условно круглой и щелевой формы при больших перепадах давления и одновременном существовании в канале нескольких режимов течения газа;

Получены аналитические зависимости распределения концентрации газа, вытекающего из дефекта оболочки, в собственной атмосфере технического объекта при наличии ЭВТИ;

Разработан способ определения величины и места течи по информации о концентрации газа в нескольких точках собственной атмосферы технического объекта, работающего в вакууме.

Практическая ценность

Получены зависимости, позволяющие определить геометрические размеры дефектов по величине течи.

Определены давления между слоями ЭВТИ при различной величине течи.

Разработаны широкодиапазонные комбинированные вакуумные преобразователи, которые могут применяться в различных областях вакуумной техники. Разработанная система мониторинга герметичности может применяться на международной космической станции.

Автор защищает

Зависимость величины газового потока через дефекты в виде канала условно круглой и условно щелевой формы при больших перепадах давления и одновременном существовании в канале нескольких режимов течения газа;

Численные и аналитические зависимости распределения концентрации газа, вытекающего из дефекта оболочки, в собственной атмосфере технического объекта при наличии ЭВТИ.

Способ определения величины и места течи по информации о концентрации газа в нескольких точках собственной атмосферы технического объекта.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных теоретических зависимостей для течения газа через дефекты оболочки обеспечивается использованием в основе расчета общепринятых формул вакуумной техники и различных алгоритмов и методик, подлинность которых многократно подтверждена ранее.

Достоверность вычислительного эксперимента подтверждается тестовыми расчетами и оценками неопределенности выполненных расчетов.

Достоверность экспериментальных исследований подтверждается анализом паспортных данных используемых приборов и определением методической погрешности.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены на: международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ» 2009-2010 годов, VI международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Абхазия, Пицунда, 2010г.), научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Санкт-Петербург, 2010, 2011 гг.), международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2010г.)

Публикации

Основное содержание работы изложено в 12 печатных работах, в том числе в 5-ти работах, опубликованных в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, изложена на 146 страницах, включая: 2 таблицы и 76 рисунков. Библиография включает 78 наименований.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Скрябнев, Артем Юрьевич

Основные результаты и выводы

В результате теоретического анализа течения газа через малые течи при больших отношениях давлений, с учетом возможности одновременного существования нескольких режимов течения получены выражения позволяющие повысить точность расчета потока на 10-20%. Расчеты выполнены для течей условно круглой и прямоугольной формы. Получены зависимости, позволяющие определить геометрические размеры дефектов по величине течи.

В результате моделирования молекулярных потоков, возникающих в случае образования течи, при наличии экранно-вакуумной теплоизоляции на корпусе технического объекта получены зависимости распределения концентрации молекул, рассчитано давление между слоями ЭВТИ в зависимости от величины течи. Выполнен расчет погрешности моделирования. Полученные результаты позволяют утверждать, что использование вакуумметрического метода позволяет производить грубую локализацию течи при наличии ЭВТИ на корпусе технического объекта, например, космического аппарата.

В результате теоретического анализа пределов измерения тепловых преобразователей получены выражения, позволяющие рассчитать теоретическую градуировочную характеристику для однокамерных и двухкамерных тепловых преобразователей. Анализ полученных выражений показал, что использование в тепловых преобразователях корпуса состоящего из двух камер различного радиуса позволяет расширить измеряемый диапазон.

Спроектированы и испытаны несколько образцов вакуумметрических преобразователей комбинированного типа. Данные приборы об объединяет в себе преобразователи теплового и инверсно-магнетронного типов. Наиболее перспективный из испытанных образцов имеет диапазон измерений тепловой части - 10°.2-105 Па, магнитной - 10"5Ю1, таким образом, весь измеряемый диапазон составляет почти десять порядков: 10"5.2Т04 Па и охватывает

136 область как низкого, так и высокого вакуума. Преимуществом по сравнению с существующими преобразователями является их размещение в одном корпусе, что позволяет упростить систему мониторинга герметичности.

Разработана система мониторинга герметичности космических аппаратов, позволяющая вести непрерывное наблюдение за объектом, а также осуществлять локализацию течи и расчет ее величины. Мониторинг герметичности основывается на анализе показаний вакуумметрических преобразователей установленных в узлах прямоугольной сетки. Диапазон измерения величины течи для существующих вакуумметрических

3 13 преобразователей составляет 10". 10' м Па/с. Величина шага сетки и высота установки датчиков над плоской поверхностью составляет соответственно несколько метров и несколько десятых метра.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скрябнев, Артем Юрьевич, 2012 год

1. Агеев A.C., Воронов Д.А., Сыпачев Д.В. Цифровой комбинированный ионизационно-тепловой вакуумметр Мерадат-ВИТ19ИТ1. // Вакуумная техника и технология, 2010. Т. 20. — №2. - С.129-132.

2. Андронова Т.П., Ксенофонтов Б.А., Малейко J1.B., Юревич Е.И. Опыт разработки и эксплуатации систем контроля давления и герметизации для обитаемых космических аппаратов. // Научно-технические ведомости СПбГТУ, 2000. СПб: СПбГТУ. - №4. - С.25-28.

3. Асташина М.А, Васильев Ю.К., Нестеров С.Б. Расчетно-экспериментальное исследование характеристик разреженного газа на примере модельной установки. // Вакуумная техника и технология, 2009. -Т. 19,-№2.- С.67-70.

4. Асташина М.А., Васильев Ю.К., Нестеров С.Б., Незнамова JI.O. Задачи и методы исследования среды разреженного газа вблизи космического аппарата. // Вакуумная техника и технология, 2008. Т. 18. - №3. -С.183-186.

5. Балакирев A.A., Скрябнев А.Ю. Исследование характеристик теплового преобразователя. Тезисы доклада научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология-2011». // Вакуумная техника и технология. 2011. - Т. 21. - №2. - С.77.

6. Беляев JI.A. К расчету N компонентных вакуумных систем. // Вакуумная техника и технология, 2002. - Т. 12. - № 1. - С.31-44.

7. Ю.Беляев JT.A. К расчету N компонентных вакуумных систем. Часть 2. // Вакуумная техника и технология, 2002. - Т. 12. - № 4. - С.215-224.

8. Бурмистров A.B. Расчет проводимости каналов переменного сечения с движущимися стенками при молекулярном режиме. // Вакуумная техника и технология, 2005. Т. 15. - № 3. - С.287-294.

9. Бурмистров A.B., Караблинов Д.Г., Бронштейн М.Д. Уравнения для расчета проводимости различных видов щелевых каналов в молекулярном режиме течения. // Вакуумная техника и технология, 2004. Т. 14. - № 1. - С.19-25.

10. Бурмистров A.B., Осипов П.П., Пафилович К.Б. Исследование проводимости каналов с криволинейными стенками. // Вакуумная техника и технология, 2002. Т. 12. - № 1. - С.27-30.

11. Бурмистров A.B., Ушко A.B. Проводимость радиальных каналов двухроторных вакуумных насосов в молекулярном режиме. // Вакуумная техника и технология, 2003. Т. 13. - № 2. - С.83-87.

12. Вакуумная техника. Справочник под ред. К.Е.Демихова и Ю.В. Панфилова. М.Машиностроение, 2009. - 589 с.

13. Востров Г.А., Розанов JI.H. Вакуумметры. JI.-.Машиностроение, 1967. -236 с.

14. Вшивков А.Ю., Крат С.А., Халиманович В.И., Христич В.В., Филатов A.A., Кравченко С.В., Нестеров С.Б., Романько В.А.Тепловакуумные испытания современных космических аппаратов. // Вакуумная техника и технология, 2011.-Т.21.-№ 3.- С. 171-176.

15. Гапонов В.А., Прокофьев A.B., Рабинович Б.А., Розанов JI.H., Скрябнев

16. A.Ю. Вакуумметрический метод определения герметичности модулей космических аппаратов в условиях орбитального полета. // Вакуумная техника и технология, 2011. Т.21. - № 4. - С.225-230.

17. Дубинин Б.А., Розанов JI.H., Скрябнев А.Ю., Суханов B.JL, Христенко

18. B.В. Магнитный вакуумметр для течеискателей. // Вакуумная техника и технология. 2010. - Т. 20. - №3. - С.191-196.

19. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники М.: Мир, 1964. - 715 с.

20. Калинин Ю.Ж., Пронин О. Д., Степанов A.A. Устранение негерметичности вакуумной системы линейного ускорителя ИЯИ РАН. // Вакуумная техника и технология, 2010. Т.20. - № 4. - С.245-247.

21. Кей Дж., Лэбк Т. Таблицы физических и химических постоянных. М.: Изд-во физ.-мат. лит-ры, 1962. -247 с.

22. Котенев В.Д., Незнамова Л.О., Пылев В.П., Рабинович Б.А., Розанов Л.Н. Исследование плотности и состава верхней атмосферы. // Вакуумная техника и технология, 2009. Т.19. - № 3. - С.123-133.

23. Котенев В.Д., Рабинович Б.А., Розанов Л.Н., Чебыкин В.А. Исследование параметров разреженной газовой среды на орбитальных космических аппаратах. // // Вакуумная техника и технология, 2010. Т.20. - № 3. -С.185-189.

24. Кривопустова Е.В., Розанов Л.Н., Розанов С.Л., Скрябнев А.Ю. Определение параметров малых течей в крупных вакуумных объектах. // Материалы 17-ой научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». М.:МИЭМ. - 2010. - С. 132-133.

25. Кузьмин В.В. Вакуумные измерения. М.:Издательство стандартов, 1992. - 227 с.

26. Кузьмин В.В. Градуировка и поверка вакуумметров. М., Издательство стандартов, 1987. - 134 с.

27. Кузьмин В.В. Усовершенствование калибровки вакуумных мер газового потока контрольных течей. // Измерительная техника, 2004. №6. - С.28.

28. Кузьмин В.В., Аляев В.А. Техника измерения вакуума. Казань: КГТУ. -2009.-299с.

29. Кузьмин В.В., Левина Л.Е., Творогов И.В. Вакуумметрическая аппаратура техники высокого вакуума и течеискания М.: Энергоатомиздат, 1984г.-240с.

30. Ланис В.А., Левина Л.Е. Техника вакуумных испытаний. М-Л.: Госэнергоиздат, 1963г.— 263 с.

31. Лекк Д. Измерение давления в вакуумных системах. М.:Мир, 1966г. -208с.

32. Локтев И. И. Руководство по выбору способов масс-спектрометрического контроля герметичности промышленных изделий и установок (вторая редакция стандарта РВО-2.3-02/2005). // // Вакуумная техника и технология, 2005. Т. 15. - № 4. - С.343-351.

33. Локтев И.И. Аномальное поведение мелких течей при перепаде давления на стенке оболочки. // Вакуумная техника и технология, 2010. Т.20. - № 3. - С.167-174.

34. Локтев И.И. Руководство по выбору способов масс-спектрометрического контроля герметичности промышленных изделий и установок. // Вакуумная техника и технология, 2011. Т.21. - № 2. - С.99-106.

35. Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов A.B. Расчет сложных вакуумных систем. -М.: МЭИ, 2001. 180с.

36. Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов A.B. Расчет сложных вакуумных систем. М.: МЭИ, 2004. - 220с.

37. Нусинов М.Д. Воздействие и моделирование космического вакуума. М.: Машиностроение, 1982. - 175с.

38. Пронин О.Д., Степанов A.A. Применение анаэробных герметиков для герметизации неразъемных соединений вакуумных узлов и камер электрофизических установок. // Вакуумная техника и технология, 2000. -Т. 10. № 3. - С.97-99.

39. Рабинович Б.А., Сергеев В.В. Контроль герметичности космических аппаратов и обнаружение мест утечки на основе измерения параметров собственной атмосферы. // Научно-технические ведомости СПбГТУ, 2000. СПб.:СПбГТУ. - №4.

40. Рогозинский В.Г. Поведение водяной течи в динамической вакуумной системе. //ПТЭ, 1965. №2. - С. 138-144.

41. Розанов Л.Н. Молекулярная проводимость элементов вакуумных систем с произвольным числом входов. // Журнал технической физики. 1973. -Т.47. - С.873-876

42. Розанов Л.Н. Вакуумная техника М.: Высшая школа, 1990. - 320с.

43. Розанов Л.Н. Вакуумная техника М.: Высшая школа, 2007. - 390с.

44. Розанов Л.Н. Манометрический метод определения герметичности крупных объектов. // Вакуумная техника и технология, 2009. т. 19. -№3. - С.179-185.

45. Розанов Л.Н., Лебедев В.М, , Преображенский О.В., Звягинцев А.Н, Крот Ю.М Манометрический преобразователь для измерения вакуума в широком диапазоне. // Электронная техника, 1972. Вып. 8. - С.68-75.

46. Розанов Л.Н., Лебедев В.М., Щенев В.В. Расчеты проводимости сложных высоковакуумных систем. // Новые исследования по физике и технике высокого вакуума. III Всесоюзн. Научно-техн. конф. «Физика и техника высокого вакуума», 1971.- Л.-С. 133.

47. Розанов Л.Н., Скрябнев А.Ю. Комбинированный вакуумметрический преобразователь. Тезисы доклада научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология-2011». // Вакуумная техника и технология. 2011. - Т. 21. - №2. - С.76.

48. Розанов Л.Н., Скрябнев А.Ю. Течение газа через круглый трубопровод при больших перепадах давления.//Вакуумная техника и технология. -2010.-Т. 20. -№1. С.3-8.

49. Розанов Л.Н., Щенев В.В. Проводимость щитковых вакуумных ловушек при молекулярном режиме течения газа. // Журнал технической физики. -1973,- т.43. -№ 6. С.1284-1289.

50. Романько В.А., Кравченко C.B., Нестеров С.Б., Маланин Н.В., Акиншин В.Г., Панова Н.М., Христич В.В. Перспективы применения вакуумной техники и технологии в космической отрасли . // Вакуумная техника и технология, 2011. т.21. - № 1. - С.49-55.

51. Саксаганский Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980.-216с.

52. Семкин И.Д. Горелов Ю.А. Системы определения утечки воздуха из модуля космической станции.// Вестник СГАУ. Сер. Актулаьные проблемы радиоэлектроники, 1999. Вып.1. - С.28-30.

53. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Бобин Д.Г., Занин А.Н.// Метрология, 2000. -№8. С.32-39.

54. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Занин А.Н., Пияков И.В. Методы и средства определения утечки воздуха из модулей космической станции// Прикладная физика, 2006. №2. - С. 108-121.

55. Скрябнев А.Ю., Розанов Л.Н. Система мониторинга герметичности космических аппаратов. // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. 4.IV. СПб.: СПбГПУ. - 2009. - С.41-42.

56. Урличич Ю.М, Селиванов А.С. Концепция базовой программы наноспутника. М.:ФГУП РНИИ КП, 2006.

57. Урличич Ю.М, Селиванов А.С. Семейство технологических наноспутников для экспериментальных исследований. // 4 международная конференция-выставка «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация», 2004. -М.: Издание Росавиакосмоса.

58. Фролов Е.С., Минайчев В.Е., Александрова А.Т. и др. Вакуумная техника: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. - 359 с.

59. Фролов Е.С., Минайчев В.Е., Александрова А.Т. и др. Вакуумная техника: Справочник. М.: Машиностроение, 1992. - 471 с.

60. Разработка модели формирования газовых потоков над ЭВТИ и экранами, закрывающими место утечки: материалы для эскизного проекта.: ЦНИИМаш; исполн. Шубралова Е.В.- 2007. Инв. № 156-10622007-1-1062-29/2007.

61. Chambers A., Fitch R.K., Halliday B.S. Basic Vacuum Technology. -Bristol:Adam Hilger, 1991. 166 p.

62. Clausing P. On the linger time of molecules in the flow of highly rarefied gases. Amsterdam, 1928.-p. 124.

63. Hablanian M.H. High-vacuum Technology. NY and Basel Marcel Dekker, 1990.-41 Op.

64. Hall D.F., Benson R.C., Boies M.T., Wood B.E., Uy O.M., Green B.D., Galica G.E. The Particulate Environment Surrounding the MSX Satellite After Many Years on Orbit. // 8th Int'l. Symp. On Materials in a Space Environment, 2000. Arachon, France.

65. Harris N. Modern vacuum practice. Glasgow: Bell and Bain, 2001. - 357p.

66. Knudsen M. Die Gesetze der Molecular Strommung uad der innerer Reibungst-parrallel plates.//The Physics of Fluids, 1873. v. 16. - №5. -P. 594-599.

67. Loktev I., About a threshold through defect in zirconium cladding of the nuclear fuel elements. // Proceedings of Top Fuel, 2009. Paris, France.

68. Manuel Uy O., Benson R. C., Erlandson R. E., Boies M. T., Lesho J. F., Galica G. E., Green B. D., Wood B. E., Hall D.F. Contamination Experiments in the Midcourse Space Experiment. // Journal of spacecraft and rockets, 1997. -Vol. 34.-No. 2. P.218-225/