基于最小二乘法的氦質譜非真空累積檢漏方法研究

綦磊，孫立臣，洪曉鵬，王勇，任國華

（北京衛星環境工程研究所，北京100094）

基于最小二乘法的氦質譜非真空累積檢漏方法研究

綦磊，孫立臣，洪曉鵬，王勇，任國華

（北京衛星環境工程研究所，北京100094）

航天器的密封性能測試分為部組件級測試和系統級測試。系統級密封性能測試大多采取氦質譜非真空累積檢漏法，由于收集室內氦氣濃度分布不均勻，檢漏儀讀數不穩定，漏率初值或終值的讀取可能不準確，進而造成測量誤差。提出一種基于最小二乘法擬合的氦質譜非真空累積檢漏方法，在非真空累積過程中，多次讀取收集室內漏率值，并利用最小二乘法對漏率變化率進行擬合，進而求出被檢件漏率。大量試驗結果表明，與傳統的氦質譜非真空累積檢漏法相比，該方法可有效避免單次數據測量造成的測量誤差，具有更高的數據可信度。

航天器；氦質譜檢漏；非真空累積；最小二乘法

0 引言

近年來，隨著航天器設計在軌壽命的延長，航天器的密封性能成為衡量航天器質量高低的一個重要參數[1-3]，關系到航天器發射的是否成功以及在軌壽命。因此，必須對航天器進行嚴格的密封性能測試。航天器的密封性能測試主要分為部組件級測試[4]和系統級測試[5]。部組件級密封性能測試，由于被檢件尺寸相對較小，大多采取氦質譜真空檢漏法。系統級密封性能測試受制于被檢件尺寸較大，大多采取氦質譜非真空累積檢漏法，該方法所采用的測試系統主要包括收集室（檢漏專用收集室或航天器運輸包裝箱）、氦質譜檢漏儀、大氣標準裝置和氣體漏率標定系統（標準PV放樣系統或標準漏孔）等[6]。

1 方法概述

使用標準漏孔作為漏率標定系統時，氦質譜非真空累積檢漏法的基本工作原理如圖1所示，將已知漏率Q1的正壓標準漏率放入收集室中，記錄氦質譜檢漏儀讀出的漏率初值U11，累積時間t1，記錄氦質譜檢漏儀讀出的漏率終值U12。取出標準漏孔，向被檢件中充入一定濃度的氦氣（濃度根據檢漏靈敏度確定，航天器檢漏一般用99.999%濃度氦氣），密封好后放入收集室中，記錄氦質譜檢漏儀讀出的漏率初值U21；累積時間t2，記錄氦質譜檢漏儀讀出的漏率終值U22，則被檢件的漏率Q2通過式（1）計算[7]。每次讀取漏率值前，取一定量的基準氣體（氦氣濃度不變）對氦質譜檢漏儀進行校準，確保檢漏儀對相同濃度示漏氣體的輸出漏率值保持一致。

這種方法只需記錄漏率初值和終值，操作簡單，計算方便。但在實際應用中，由于收集室內氦氣濃度分布不均勻，檢漏儀讀數不穩定等，漏率初值或終值的讀取可能不準確，進而造成測量誤差。在累積過程中，多次讀取漏率值，并利用最小二乘法對漏率變化率進行擬合，從而求出被檢件的漏率Q2為：

式中：Q1為標準漏孔全漏率，Pa·m3/s；k1為標準漏孔在收集室內氦氣漏率變化率，Pa·m3/s2；k2為被檢件在收集室內氦氣漏率變化率，Pa·m3/s2。

圖1 氦質譜非真空累積檢漏法示意圖Fig.1 Schematic diagram of thenon-vacuum accumulation leak detectionmethod forhelium mass spectroscopy1.氦質普檢漏儀；2.pe；3.大氣基準氣體；4.風扇；5.被檢件；6.收集室；7.充氣回收裝置；8.高純氦氣

2 系統最小可檢漏率測量

將全漏率為Q1的正壓標準漏孔A放置于收集室中，將收集室密封后，啟動風扇攪拌收集室箱內氣體，使標準漏孔泄漏到收集室中的氦氣達到均勻狀態。將檢漏儀連接大氣基準氣體，得到漏率值U01，再將檢漏儀連接收集室，得到漏率值U11，每個2 h記錄一次大氣基準氣體漏率值和收集室內氦氣漏率，同時記錄檢漏儀質譜室入口壓力以及收集室大氣壓力，分別為U0i和U1i，連續累積24 h，如表1所列。

表1 正壓標準漏孔A漏率累積記錄表Table1 Leak rateaccumulation of pressure standard leak A

利用最小二乘法進行對漏率變化率進行數據擬合，得到本次測量的氦氣漏率變化率為k1=1.31× 10-13Pa·m3/s2，如圖2所示。

記錄氦質譜檢漏儀噪聲In為1×10-9Pa·m3/s，計算該檢漏系統的最小可檢漏率值為：

式中：Q1為被積累的標準漏孔A全漏率，Pa·m3/s；In為氦質譜檢漏儀的噪聲，Pa·m3/s；tn為累積總時間間隔，s；k1為收集室內氦氣漏率變化率，Pa·m3/s；

圖2 標準漏孔A漏率變化率最小二乘法擬合曲線Fig.2 LeastSquare fitting curveof leak rateand time for pressure standard leak A

3 被檢件檢漏

打開收集室，將正壓標準漏孔A取出，靜置一定時間，使收集室內氦氣濃度降至試驗前水平。將全漏率為Q2的正壓標準漏孔B放置于收集室中，將收集室密封后，啟動風扇攪拌收集室箱內氣體，使標準漏孔泄漏到收集室中的氦氣達到均勻狀態。將檢漏儀連接大氣基準氣體，得到漏率值U′01，再將檢漏儀連接收集室，得到漏率值U′11，每2 h記錄一次大氣基準氣體漏率值和收集室內氦氣漏率，同時記錄檢漏儀質譜室入口壓力以及收集室大氣壓力，分別為U′01和U′1i，連續累積24 h，如表2所列。用最小二乘法進行對漏率變化率進行數據擬合，得到本次測量的氦氣漏率變化率為k2=2.11×10-13Pa·m3/s2，如圖3所示。

表2 正壓標準漏孔B漏率累積記錄表Table2 Leak rateaccumulation of pressure standard leak B

圖3 標準漏孔B漏率變化率最小二乘法擬合曲線Fig.3 LeastSquare fitting curveof leak rateand time for pressure standard leak B

已知標準漏孔A的全漏率Q1為2.06×10-7Pa·m3/ s，利用式（2），便可以算出被檢件的漏率Q2為3.31× 10-7Pa·m3/s，與被檢件漏率真值3.51×10-7Pa·m3/s相比，相對測量誤差為5.7%，滿足航天器密封性能測試的要求[8-9]。

4 結論

氦質譜非真空累積檢漏法因操作簡單，檢漏成本低，廣泛應用于國內航天器系統級總漏率測試。由于收集室內氦氣濃度分布不均勻，檢漏儀讀數不穩定，漏率初值或終值的讀取可能不準確，進而造成測量誤差。提出一種基于最小二乘法擬合的氦質譜非真空累積檢漏方法，在非真空累積過程中，每隔一定時間讀取收集室內漏率值，并利用最小二乘法對漏率變化率進行擬合，通過標準漏孔漏率變化率和被檢件漏率變化率的比例關系，進而求出被檢件漏率。試驗結果表明，這種方法的相對測量誤差小于10%，滿足航天器密封性能測試的要求。

[1]吳孝儉，閆榮鑫.泄漏檢測[M].北京：機械工業出版社，2005：98-102.

[2]金春玲，回天力，王國忱，等.非真空收集器檢漏技術在航天領域的應用研究[C]//中國真空學會質譜分析和檢漏專業委員會年會，2013.

[3]薛長利，丁勤，蔣炎華，等.氦質譜檢漏技術在小衛星領域的應用[C]//2011年小衛星技術交流會論文集，北京，2011. [4]汪力，鄭江濱，閆榮鑫.航天器部件真空檢漏試驗管理系統的設計[J].航天器環境工程，2012，29（6）：700-704.

[5]孫立臣.氦質譜檢漏技術在航天器總裝試驗階段的應用[C]//2013年真空工程學術會議暨2013年真空咨詢學術會議論文集，沈陽，2013.

[6]王勇，閆榮鑫.航天器氦質譜吸槍檢漏法的不確定度評定研究[J].中國空間科學技術，2010，30（4）：71-75.

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[8]王強慶，薛長利，丁琴，等.航天器檢漏線性擬合參數的不確定度評定分析[J].真空與低溫，2014，20（1）：19-23.

[9]王勇，黃錫寧，孫立臣.氦質譜檢漏儀人口壓力與顯示值的關系研究[J].真空科學與技術學報，2011，31（1）：32-36.

RESEARCH ON NON-VACUUM ACCUMULATION LEAK TESTING BY HELIUM MASS SPECTROSCOPY BASEDON LEAST SQUAREMETHOD

QILei，SUN Li-chen，HONG Xiao-peng，WANG Yong，REN Guo-hua
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

Spacecraft leak testing is divided into component testing and system testing.System leak testmostly take themethod of non-vacuum accumulation leak testing by helium mass spectroscopy.Due to the uneven distribution of helium in the accumulation chamber and the unstable readings of helium mass spectrometer leak detector，the initialand final leakage rate valuesmay notbe read accurately whichmay result in themeasurementerror.In this paper，a non-vacuum accumulation leak testing by helium mass spectroscopy based on leastsquaremethod is introduced.In the processof helium gas accumulation，read the helium gas density in the accumulation chamber at regular intervals and calculate the helium gas density charge rate using least squaremethod.Then，the leakage rate of the objectunder test is given.A large number of test results show that，compared w ith the traditionalmethods，thismethod can effectively avoid themeasurementerror caused by single testing and the resultshave a higher credibility.

spacecraft；helium massspectroscopy；non-vacuum accumulation；leastsquaremethod

TB42

A

1006-7086（2017）03-0154-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.006

2017-03-13

國家自然基金（U1537109）、載人航天預先研究（020109）

綦磊（1985-），男，山東濰坊人，工程師，碩士，主要從事航天器密封性能測試技術研究。E-mail:qilei511@126.com。