Ультразвуковой метод контроля герметичности

Широкое применение получил и продолжает свое развитие ультразвуковой метод контроля герметичности.

Любое работающее оборудование при наличии в нем дефектов генерирует широкий спектр характерных звуков. Высокочастотные ультразвуковые компоненты этих звуков по своей природе имеют очень малые длины волн и являются при этом узконаправленными, поэтому их легко выделить из окружающих шумов и точно определить их источник и его местоположение. Ультразвуковые преобразователи, применяемые для обнаружения источников ультразвуковых колебаний, достаточно просты в обращении и служат прекрасным инструментом технологического контроля. Они состоят из базового портативного блока с головными телефонами, измерительного устройства, блока настройки чувствительности, а также, в большинстве случаев, комплектуются сменными модулями, которые используются в режиме сканирования и контактном режиме измерения. Приборы позволяют производить настройку чувствительности в частотном диапазоне от 20 до 100 кГц.

Области применения ультразвукового метода: определение мест утечек жидкостей и газов; обследование сепараторов пара; проверка герметичности вентилей и клапанов; контроль штоков клапанов; обнаружение мест потерь давления и вакуума; контроль теплообменников бойлеров и конденсаторов; инспекция электрооборудования; определение источников короны и частичных разрядов; механическое оборудование; проверка технического состояния подшипников; мониторинг подшипников; мониторинг компрессоров.

Чувствительность испытаний акустическими течеискателями зависит от давления воздуха в объекте контроля, используемого приемника колебаний и типа дефекта. Течеискатели относятся к числу бесконтактных. Они позволяют обнаруживать течи на расстоянии 0,5 - 1 м от объекта и применяют для испытаний объектов, к которым не предъявляют высоких требований по герметичности. Их порог чувствительности составляет 10-2 102 мм3МПа/с. В качестве примера промышленных ультразвуковых течеискателей можно упоминуть ИУК-2 и УЗОН, применяемые для определения степени герметичности объектов, находящихся под избыточным давлением.

Решение задачи оперативного нахождения точных координат утечки на начальном этапе возникновения дефектов оборудования способно в значительной мере повысить безопасность производства и избежать аварий. При возникновении утечки из технологического оборудования ультразвуковые датчики контроля, находящиеся на различном расстоянии, будут по разному реагировать на изменение концентрационного поля, сигналы будут иметь различия по времени и по амплитуде.

Поскольку концентрация газа зависит от расстояния до места течи, то при использовании показаний разнесенных в пространстве датчиков возможно определение координат места утечки; кроме того, представляется возможным произвести и оценку величины самой течи.

Параметры утечки и значения концентраций, измеренные на различном удалении от места дефекта, описываются системой уравнений С =(Q /2яО)[(Х.-Х )2+(Y.-Y)2+(Z.-Z)2]-1/2; C2=(Qy/2nD)[(X2-Xy)2+(V2-Vy)2+(Z2-Zy)2]-1/2; С =(Q /2nD)[(X -X)2+(V -Y)2+(Z -Z)2]-1/2, решением которой являются координаты места утечки (Xy, Vy, Zy) и значениe y y y величины утечки (Qy).

Разработанный метод определения пространственного распределения утечек по промышленным объектам позволяет в непрерывном режиме осуществлять мониторинг потенциально опасного промышленного оборудования.

В последние годы получают широкое применение полупроводниковые газочувствительные сенсоры. Сочетание высокой чувствительности, селективноти и быстродействия предопределяют их использования для создания новых, компактных течеискателей, построенных на микроэлектронной базе.

Среди многообразия микроэлектронных датчиков особое место занимают сенсоры химического состава газов, которые находят применение в различных отраслях промышленности. Изготовление датчиков связано с применением технологии интегральных микросхем. Они подразделяются на сенсоры резистивного типа, электрохимические, на основе МДП-структуры, на основе барьера Шоттки.

Наиболее распространенными являются сенсоры резистивного типа, где в качестве чувствительных материалов применяют SnO2, ZnO, F203 и др. На поверхности этих полупроводников при химсорбции кислорода локализуется отрицательный заряд, образованный захваченными электронами, что приводит к обеднению приповерхностной области полупроводника. Следовательно, полная проводимость последних достаточно низка. Когда же сорбируется другой анализируемый газ, взаимодействующий с химсорбированным кислородом, проводимость приповерхностной области полупроводника существенно увеличивается.

На рис. 5 представлена схема каталитического сенсора резистивного типа, который был использован при создании сенсорного датчика для определения утечек паров синильной кислоты. Сенсор работает по принципу регистрации тепла, выделяемого при протекании каталитической реакции окисления синильной кислоты на поверхности чувствительного слоя, что приводит к повышению температуры чувствительного слоя и, следовательно, его сопротивления. Сенсорная структура представляет собой кремниевый кристалл размером 2,1 х 2,5 мм толщиной 150 мкм, на котором с помощью современных технологических приемов формируется чувствительный элемент на основе пленок платины. Тонкий слой диэлектрика SiO2-SiN4-SiO2 разделяет и термоизолирует сенсор от кремниевой подложки, что позволяет избежать утечек тепла в окружающую среду и снизить необходимую для нагревания мощность. Благодаря мембранной конструкции сенсора и низкой теплопроводности диэлектрического слоя для нагрева сенсора до рабочей температуры достаточно всего 10 мВт.

Существуют два варианта конструктивного оформления приборов. В первом используют слой окисла металла с напыленными на него электродами из благородного металла (например, платины). Во втором - датчик изготавливают методами тонко- или толстопленочной технологии. На изолирующую подложку (ситалл, сапфир) напыляют платиновые контакты. Сверху наносят пленку чувствительного материала в виде пасты, которую затем подвергают термообработке. На обратной стороне изолирующей подложки формируется тонкопленочный резистивный нагреватель из платины. При помещении такого сенсора в атмосферу, содержащую углеводороды, оксид углерода, водород, аммиак и другие газы, происходит увеличение электропроводности чувствительного элемента, который упрощенно можно представить как совокупность двух параллельно включенных в цепь проводников (слой полупроводникового оксида и нагревателя).

На основе такого варианта чувствительного элемента разработан газовый сенсор ПС-1. Чувствительность сенсора составляет: по метану (CH4) - 5 ppm, по оксиду углерода (СО) - 1 ppm, по пропану (С3Н8) - 1 ppm, по водороду (Н2) - 10-1 ppm. Портативные течеискатели типа ПС применяются для определения утечек вредных и горючих газов из систем газоснабжения.

Другой тип сенсора организуется на основе органических полупроводников. В качестве чувствительного материала в основном используют пленки фтало-цианинов, которые обладают высокой термической и химической стойкостью. Эти пленки являются полупроводниками р-типа, причем на механизм их проводимости большое влияние оказывает кислород воздуха. После обработки в вакууме проводимость пленок становится п-типа, но под действием кислорода воздуха она увеличивается и вновь переходит в проводимость р-типа. Исследования показали, что проводимость пленок фталоцианинов меняется в присутствии тех газов, сродство к электрону которых больше чем у кислорода. К ним относятся галогены и галогенсодержащие газы, а также N02. Для снижения полного сопротивления чувствительной пленки токопроводящие электроды обычно имеют гребенчатую структуру. Наибольшая чувствительность газовых датчиков - к N02, причем она увеличивается при легировании пленок тяжелыми металлами.

Для контроля утечки водорода созданы течеискатели на основе микроэлектронного сенсора с барьером Шоттки. Диод Шоттки представляет собой структуру металл-полупроводник. Наличие диэлектрической прослойки между металлом и полупроводником объясняется невозможностью создания газочувствительных датчиков на структуре Pd-Si, поскольку в связи с образованием на границе раздела силицида палладия пропадает водородная чувствительность таких приборов. Для предотвращения этого явления на поверхности чистого кремния перед напылением палладия выращивают тунельно-прозрачный слой диэлектрика Si02. Параметры диодов во многом определяются высотой потенциального барьера. Топография газочувствительной структуры Шоттки в микроэлектронном исполнении показана на рис. 7.

 

Анализ литературы, посвященной методам контроля окружающей среды, в частности, атмосферного воздуха, показывает все возрастающую роль сенсорных методов анализа по сравнению с традиционными физико-химическими методами. Следует отметить, что все больше методик анализа объектов окружающей среды, основанных на сенсорных методах, включается в список методик, рекомендованных в качестве основных международными и национальными ведомствами по охране окружающей среды.

На основе достижений сенсорной техники ряд фирм в Японии, Германии, России и в других странах организовали серийный выпуск газоанализаторов, газосигнализаторов и течеискателей компактного исполнения. Наиболее впечатляющие результаты получены фирмой RIKEN KEIKI (Япония), которая выпускает ультралегковесные сенсорные датчики типа HS-94 на сероводород, ОХ-94 на кислород, СО-94 на токсичные газы. Из российских течеискателей с полупроводниковыми сенсорными элементами можно отметить взрывобезопасный течеискатель горючих газов ТИГ-2 (НПО «Чистый газ», Московская обл.).

В РНЦ «Курчатовский институт» созданы полупроводниковые и оптические сенсоры, а на их основе - течеискатели для определения метана, пропана, бензина, водорода в диапазоне от 0,005 объемных процента до нижнего предела взрываемости. Материал сенсоров Sn02, ZnO. Габариты 2 х 0,5 х 0,3 мм, время восстановления ~ 2 с.

В Московском государственном университете леса разработан универсальный газочувствительный полупроводниковый сенсор и сигнализатор-течеискатель на СО, С02, S02 и др. газы с порогом чувствительности 0,5 ПДК. Чувствительный слой создан на основе Sn02, ZnO, ТЮ2.

В НИФТИ при Нижегородском государственном университете разработан индивидуальный газосигнализатор-течеискатель тип СОК-2 для определения горючих и токсичных газов и для обеспечения личной безопасности. Диапазон контроля от 0,1 - 10 объемных процентов. Метод отбора - газодиффузионный.

Таким образом, сенсорные течеискатели можно уверенно отнести к наиболее перспективным в связи с их миниатюрностью, высокой газочувствительностью, возможностью реализации многогазового течеискательного устройства.

Рассмотренные в настоящей статье методы контроля герметичности относятся к наиболее перспективным для задач контроля герметичности изделий и объектов общепромышленного назначения.



Просмотров: 3315

Дата: Пятница, 14 Декабря 2012

Новости