泄漏檢測中的流量法及其適用性分析

朱正德/大眾動力總成（上海）有限公司

密封性是一項重要的產品質量指標，而作為密封性監控手段的泄漏檢測技術經多年的發展和完善，現已相當成熟。由專業化廠商生產的商品化程度很高的定型產品形式多樣，已能在很大程度上滿足各種用戶的不同需要。

在多種監測方法中，壓力法是應用最多的一種，所采取的直壓法（又稱絕對壓力法）或差壓法，已為用戶所熟悉，但對于在汽車行業發揮著重要作用的另一類流量式泄漏檢測技術，相應的介紹和人們的了解就少得多。

1 壓力法檢漏的局限性

密封性測試的實質是檢測被測物的泄漏率Q，Q是單位時間內在一定測量壓力下泄漏到標準大氣中的氣體體積，用ml/min或L/h表示。壓力法是依據泄漏而引起測量壓力變化這一原理，再利用氣體壓力的變化量間接地來求出泄漏率Q。通過對檢測過程做一些假設，如氣體的不可壓縮、等溫狀態、被測物體容積沒有變化、視測量壓力無劇烈變動等，就能近似地確定兩者之間的關系，其表達式為：

式中：Q— 標準大氣壓下的泄漏率ml/min；

Δp — 壓力降（變化量）Pa；

V— 被測系統容積 ml；

tm— 檢測時間 s；

patm— 大氣壓（patm=1.013×105Pa）。

在大多數情況下，應用壓力法泄漏檢測對于待測密封性的汽車零部件乃至總成是適用的、有效的。但從式（1）可見，當被測物容積V較大，檢測時間較短，而泄漏率Q又不大時，壓力法的局限性就顯現出來了。

下文以某型號發動機總成的密封性檢查為例，通過分析予以驗證。

已知：總成的油腔允許泄漏率為25 ml/min

油腔的容積為20000 ml

測量時間為10 s

假設壓力降的測量誤差為10 Pa

把以上數據代入式（1），可以得到用壓力法進行泄漏檢測時會產生的誤差：

由于允許的泄漏率僅為25 ml/min，而測量誤差將達到Q值的近50%，顯然是不能被用戶接受的。另一方面，雖然把時間延長到60 s，可以使上述誤差降至2.0 ml/min，但相應之前的平衡時間也得延長，以減少被測物內腔的壓力不穩定。這樣一來，整個工作節拍將被大大拉長，更是難以實現的。事實上，以上假設壓力降測量誤差為10還是在比較理想的狀態下，這項誤差除了檢漏儀自身精度外，還包括夾具、封堵部位和環境的影響。10 Pa一般是指相對而言精度較高的差壓式測量裝置，對直壓式泄漏檢測裝置，測量誤差往往會達到20～30 Pa，從而引起更大的ΔQ。以上實例帶有普遍性，其他如變速箱總廠、缸蓋分裝總成、缸體或變速箱殼體等的情況相似。

此時，被測物密封性檢測的最佳選擇就是采用質量流量法進行檢漏。

2 用于工件密封性測試的質量流量法

質量流量法傳感器采用熱量式（風速計）工作原理，顯示的檢測結果直接為標準狀態下的泄漏率。所謂標準狀態，指的是在一個大氣壓和0℃條件下的狀態。這種情況下所輸出的泄漏測量信號不僅與工件被測腔的容積無關，又不受測量壓力變化的影響，而這一點給使用者帶來了在系統設置和校準時的簡化和方便。此外，利用質量流量法檢漏可最大限度地縮短密封測試時間，又具有較高的準確度，因此已得到了相當多的應用。

圖1是質量流量法泄漏檢測的示意圖，其檢漏過程如下：調壓器調制到規定壓力；關閉旁路閥和傳感器閥，打開充氣閥和儲氣罐閥，向儲氣罐充氣；當壓力監控傳感器顯示已達到額定充氣壓力后，關閉充氣閥，打開旁路閥和開啟閥，從而向工件充氣；在被測件內腔經充氣和一段時間的穩定后，關閉旁路閥，打開傳感器閥，進入測量階段；若被測工件存在泄漏，則在測量階段由于工件內腔相對儲氣罐閥的壓力差就會導致氣體從罐向工件的流動；最后，通過流經傳感器的氣流，利用質量流量法計算出該被測件的泄漏率。

圖2則形象地反映了上述測量系統的檢漏過程。

圖1 小泄漏質量流量法工作示意

圖1所示的系統適宜于被測工件泄漏率較小的情況，一般為100 ml/min 左右（及以下），其測試精度很高。正因為如此，它除了用于零部件、總成的檢漏外，還能用來檢測發動機等關鍵件的內漏。

圖2 小泄漏質量流量法檢測過程

對于被測件泄漏率較大，達到200 ml/min或更大些，而工件節拍依然較高，即測試時間較短的情況，就得選用圖3所示的質量流量法檢漏系統。相比圖1，主要是取消了應對被測內腔用于穩定測試壓力的儲氣罐這一環節，并選用了量程較大的流量傳感器。當然這樣一來示值的分辨率和檢測精度會降低一些。圖3所示的測量系統主要可用于發動機中氣門與缸蓋（氣門）座圈間的泄漏量檢測，以及各種節流閥的流量測試等場合。對于前者，泄漏率一般達到200～400 ml/min。圖4反映了上述檢測系統的測漏過程。

圖3 大泄漏質量流量法工作示意

質量流量法檢漏儀的使用量遠低于壓力式檢漏儀的一個重要原因是價格因素，高出30～40%的投入在較大程度上制約了企業的選擇。

3 體積流量法泄漏檢測

壓力法檢漏和質量流量法檢漏主要適合于以機加工方式成形的零部件、總成的密封性測量，此時的生產節奏較快、檢測精度要求較高，而被測件的泄漏率一般較小，最多也就數百毫升/分，極大部分在100 ml/min以下。但在汽車制造業中也不乏這樣的需求，即可能通過的被檢流量（如以“泄漏率”表示的形式）較大，而對于測試的精度要求則不是很高，只具有監測甚至是監控性質的作用，此時就更適宜采取體積流量法。圖5是體積流量法的檢漏工作原理示意圖，這種方法本質上還是利用了差壓式工作原理，即以差壓式傳感器作為測量器件，再結合層流管的工作特性來間接地求出流量。在規定的量程以內，流體（氣體）在通過由眾多細小管道組成的層流管時產生層流，由此在兩端產生的壓力降△p與通過的流量Q成正比。其關系式：

圖4 大泄漏質量流量法檢測過程

其中：ρ—流體的密度；

L—層流管的長度；

Ri—組成層流管的細小管道之內徑；

Q—流量，即泄漏率；

Δp—層流管兩端的壓差。而流量正是通過安裝在層流管兩端的差壓式傳感器測出的壓差△p，利用式（2）求得的。

體積流量法最有代表性的應用之一，就是為涉及整車燃油系統的泄漏檢測的需求，如密封性、通氣性和脫附試驗的生產一致性檢查提供相應的測試手段。

4 燃油系統的泄漏檢測示例

圖5 體積流量法工作原理

轎車的燃油系統主要由油箱、油管、閥、發動機、碳罐等零部件組成。在低污染排放小汽車的國家標準中，燃油系統的密封性、通氣性和脫附試驗已被列入環保生產一致性檢查的要求。相關的規定如下：在碳罐通大氣的出口被封堵后，向油箱入口施加3.63 kPa±0.10 kPa的壓力，壓力穩定后斷開氣源，要求5 min 內壓力降低不大于0.49 kPa（密封性）；通氣性試驗的前半部分操作與密封性完全相同，但在壓力源斷開后，隨即撤去碳罐封堵，此時燃油系統的壓力應在0.5 ～2 min內降到0.98 kPa 以下，脫附試驗則可以用相當于流量為1 L/min 時的壓力降或直接測得的流量值作為評定指標。當試驗結果達到標準要求時，設置在碳罐脫附口前的檢測儀表的示值應大于1 L/min。按照國家標準的規定，以上測試必須在生產現場，即在工況條件下完成。

具備在線檢測特點的相應專用設備中，均采用了體積流量法泄漏檢測技術和以層流管/差壓式傳感器的組合作為檢測元件，下面就以涉及燃油系統的測試設備中最有代表性的脫附試驗裝置作為案例詳細介紹。

在燃油系統（見圖6）中，碳罐起到了凈化（燃）油蒸氣、減少環境污染的作用。如虛線箭頭線所示，當油蒸氣從油箱通過管道和保壓（單向）閥進入碳罐時，罐中活性炭的吸附作用使其得到凈化，期間單向閥開啟，電磁閥關閉，這個過程稱為碳罐的吸附過程。而當發動機正常工作時，如實線箭頭線所示，管路中的電磁閥打開，單向閥關閉，發動機進氣歧管內的負壓導致外部氣流從碳罐大氣口進入罐內，產生沖刷作用，將碳罐中的汽油分子掃到進氣歧管中燃燒，恢復碳罐內活性炭的活力，這個過程稱碳罐的脫附過程。按國家標準進行脫附試驗，其目的就是為了確認轎車燃油系統工作的有效性。

圖6 燃油系統的組成及其運行

圖7 脫附試驗專用檢測裝置的工作原理

根據國家標準，研制了圖7所示專用檢測裝置，其核心是測出流量的層流管，它與碳罐的脫附口相接。流量是通過安裝在層流管兩端的壓差傳感器測出的。系統中的壓力傳感器（圖7左）能測出脫附口處的負壓值，利用計算機可以建立流量與負壓之間的對應關系。從溫度傳感器獲得的信息則提供了對測得的流量值進行補償的依據，以提高測試結果的準確性。層流管的另一端經貯氣罐與一個二位三通電磁閥相連接，由此可生成兩種脫附試驗方式：與發動機相連的常規試驗和與負壓發生器相連的替代試驗。

[1] 國家環境保護總局. GB18352.2 — 2001[S]. 北京：中國標準出版社，2001.

[2] 朱正德. 關于制造過程中密封性指標的監控. 組合機床與自動化加工技術[J]. 2002（1）.

[3] 朱正德. 談用于燃油系統的泄漏檢測裝置.上海計量測試[J]. 2004（6）：25-28.