技术领域：

本发明涉及一种旋转式高精度气密性检测装置，属于液压气动与密封技术领域，特别涉及一种用U型管差压法检测系统或零部件气密性的装置。

技术背景：

泄漏是工程中经常遇到的问题之一，凡是涉及液体(或气体)的系统或零部件如真空系统、气动系统、液压系统等都可能存在泄漏。工程中对这些系统或零部件提出了一定的气密性要求，并进行严格的气密性检查。

气密性检测方法主要有浸水检测法、流量测量法、压力测量法、惰性气体检测法等。

浸水检测法是将被测系统或零部件浸入水中，然后给其充气，目测是否有泄漏的气体以气泡的形式逸出，如徐烨在《柴油机设计与制造》杂志上(2004，4，36-39)发表的《泄漏检测技术的原理与应用》，该法操作简单，但不适用于尺寸较大的系统或零部件，不能真实地反映零部件的泄漏情况，尤其当被检测系统的结构比较复杂时，不能正确判断气泡的具体来源，且对于慢泄漏(或微泄漏)不灵敏，需要进行长时间观察。

流量测量法是对泄漏率进行直接测量的方法，包括质量流量法、体积流量法。用该法进行测量时，被测量系统和压缩空气气源一直保持连接，当有外泄时，被测量系统内部将不断有气体流过。通过测定气体的流量可以确定被测量系统的泄漏情况。流量测量法的测量信号与被检测件容积无关，测量信号为通过泄漏仪的气体流量，在标定时这是个优点。

压力测量法有单一传感器直接检测方法、双传感器间接检测方法、差压检测方法三种。

1、单一传感器直接检测方法

直接检测方法也称绝对压力测量法。当对被测量系统的气密性要求不高时，可以采用单一传感器直接测量被测量系统内部的压力，并根据一定时间内的压力变化值算出被测量系统的泄漏率，如龙飞，邢武，盛曾慰等在《液压气动与密封》杂志上(2000，5，21-23)发表的《气密性检测方法分析》。该方法气路连接简单、可靠，采样点较少，但其测试精度较低，特别是测试压力较高而压力降又较小时，为了能检测出微小泄漏量，只有延长检测时间，降低工作效率。

2、双传感器间接检测方法

该方法首先将被测量系统密封于一体积稍大的密封腔内，用大量程的压力传感器测量被测量系统内部的充气压力，用小量程的压力传感器测量从被测量系统泄漏到密封腔内的气体压力，再根据一定时间内小量程的压力传感器测量的压力变化值算出被测量系统的泄漏率，如龙飞，邢武，盛曾慰等在《液压气动与密封》杂志上(2000，5，21-23)发表的《气密性检测方法分析》，该方法虽然在结构上较复杂，但工件内的充气压力不影响检测精度。由于该方法需要一个稍大的外密封腔，因此它对于小体积系统的测量是有效的，对于大体积系统实施起来比较复杂。此外，当被测量系统存在着大泄漏时，小量程的压力传感器容易超载损坏。

3、差压检测方法

该方法用压力传感器测量被测量系统内部的充气压力，用差压传感器测量被测量系统与标准系统之间的差压，进而计算被测量系统的泄漏率，如李开国，李小波，吴亚东等在《汽车研究与开发》杂志上(1999，3，38-40)发表的《空气检漏仪及其测量技术》，又如张津津，马朝永，白果等在《机械设计与制造》杂志上(2007，5，116-118)发表的《差压检测法在汽车制动主缸气密性检测中的应用》，该方法虽然在气路结构上较复杂，采样点较多，成本也较高，而且需要一个与被测量系统在形状、尺寸、材料，甚至于二者所处的环境都一样的不漏的标准系统，但是在气路上采用了对称的桥路测量，从根本上解决了气密性测试受测试压力以及被测量系统体积影响的问题，使测试结果与测试压力无关。

惰性气体检测法，如沈宏军在《舰船电子对抗》杂志上(2007，30(4)，114-115)发表的《舰用密封元器件的气密性检测》，该方法在被测量系统中充入惰性气体，用传感器检测漏出的惰性气体，进而计算泄漏量。该方法具有较高的检测精度，但运行成本及设备成本都较高，仅用于有很高气密性要求的场合。综上所述，作为一种理想的气密性检测方法，应当具有结构简单、操作方便、响应迅速、灵敏度高、稳定性好、实用范围宽等特点。近年来，人们研制了许多适用于不同使用环境的气密性检测设备，其灵敏度、可靠性都有很大的提高，但其检测原理都源于上述基本方法，如李锋，万莅新，邢武等在《仪器与仪表》杂志上(2001，2，21-23)发表的《高精度中压型智能测漏仪的研制》，除了使用计算机进行补偿、简化控制和操作程序、提高自动化程度外，很少有实质性的进展。就压力测量法而言，仅有设备简单、成本低、检测精度也低的直接测量法和设备复杂、成本较高、检测精度也高的差压测量法比较常用，不能很好地满足生产需要。本装置的复杂程度、生产成本和检测精度均介于上述二者之间，能在一定程度上满足生产要求。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足，对传统差压测量方法进行了改进，提供一种简单可靠的高精度气密性检测装置。

本发明对差压检测装置的气液回路进行了创新设计，将检测装置中的比较腔融入检测装置中，用U型管测量系统的压力变化，通过引入等效密度的概念简化计算过程，在保持较高检测精度的同时，简化传统的差压检测装置，缩小检测装置的体积，消除了阀门等运动部件；用本发明提供的检测装置能快速灵敏地对系统或零部件的气密性进行检测。

本发明的技术方案是：一种旋转式高精度气密性检测装置，它是由读数管(1)、回路管(2)、连通管(3)、比较腔(4)、传感器接口(5)、传感器密封件(6)、压力传感器(7)组成的一个差压检测装置，其特征在于读数管1、连通管3、比较腔4组成U型管，回路管2用于连通U型管的最低位置处与比较腔4的最高位置处，且位于读数管1与比较腔4之间，传感器接口5位于回路管2的最高位置处，从而将差压检测装置中的比较腔(4)融入检测装置中，缩小检测装置的体积；比较腔(4)具有足够大的体积，可将VC0视为固定值；通过旋转让U型管具有压差测量和连通管道的双重功能，以消除阀门运动部件；其中，VC0为测量初始时刻比较腔4和回路管2中装入测量介质后剩余的容积与传感器接口5、传感器密封件6、压力传感器7包含的容积之和。

本发明通过调整装置的尺寸和引入等效密度的概念得到测量结果的计算方法，以简化测量操作，从而形成了由读数管1、回路管2、连通管3、比较腔4、传感器接口5、传感器密封件6、压力传感器7组成的一个差压检测装置，该系统的读数管1、连通管3、比较腔4组成U型管，回路管2用于连通U型管的最低位置处与比较腔4的最高位置处，且位于读数管1与比较腔4之间，传感器接口5位于回路管2的最高位置处(见附图1)，且各部分容积与压力关系由下述数学方程组确定：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{S0}=P_{C0}+h·\gamma \\ P_S=P_C+(h+{\mathrm{\Delta h}}_S+{\mathrm{\Delta h}}_C)·\gamma \\ V_S=V_{S0}+{\mathrm{\Delta h}}_S·S_S\\ V_C=V_{C0}-{\mathrm{\Delta h}}_C·S_C\\ {\mathrm{\Delta h}}_S·S_S={\mathrm{\Delta h}}_C·S_C\\ P_{C0}·V_{C0}=P_C·V_C\end{array}\right\}---\left(I\right)$

其中，PS0为测量初始时刻被测量系统内的压力，VS0为测量初始时刻被测量系统连同读数管1上部的剩余空间、连接管道的总容积，PC0为测量初始时刻比较腔4内的压力，h为测量初始时刻回路管2和读数管1中的液面高度差，PS为测量结束时被测量系统内的压力，VS为测量结束时被测量系统连同读数管1上部的剩余空间、连接管道的总容积，PC为测量结束时比较腔4内的压力，VC为测量结束时比较腔4和回路管2中剩余的容积与传感器接口5、传感器密封件6、压力传感器7包含的容积之和，测量过程中，读数管1中的液面变化了ΔhS(液面下降，ΔhS取正值，液面上升，ΔhS取负值)，比较腔4中的液面变化了ΔhC(液面上升ΔhC取正值，液面下降ΔhC取负值)；SS为读数管1的截面积，SC为比较腔4和回路管2的截面积之和，γ是U型计中液体的密度；由此得到被测量系统的压力变化值：

$P_S-P_{S0}=(\frac{P_{C0}·S_S}{V_{C0}-{\mathrm{\Delta h}}_S·S_S}+\frac{S_S·\gamma }{S_C}+\gamma )·{\mathrm{\Delta h}}_S=\delta ·{\mathrm{\Delta h}}_S---\left(\mathrm{II}\right)$

此处称δ为等效密度，由于PC0可以由压力传感器直接测量，VC0可以通过记录测量初始时刻读数管1中的液面位置而得到(见测量VC0部分)，所以通过测量读数管1中的液面位置变化值ΔhS，根据方程(II)能准确地计算出系统的压力变化，即检测系统的气密性。

根据方程(II)调整装置的设计参数，使比较腔4具有足够大的体积，使VC0□ΔhS·SS，同时使测量过程中检测装置由水平状态旋转到垂直状态时进入读数管1中的液体的体积ΔV□VC0，则可将VC0视为固定值；在通常的测量中，都指定被测量系统的初始压力，若细心调节初始压力使其趋于固定值，则PC0可视为常数(因为PC0与指定的初始压力之间极小的差异是ΔV由引起的)，于是等效密度δ可视为常数，即此时得方程

PS-PS0＝δ·ΔhS                            (III)

根据方程(III)可以近似地测量系统的压力变化，从而简化计算过程。

特别地，在低真空状态下，PC0小于0.1MPa，调整检测装置相应部分的尺寸，使SS很小，且SS□SC，使VC0足够大，且VC0□ΔhS·SS，进而使$\delta =\frac{P_{C0}·S_S}{V_{C0}-{\mathrm{\Delta h}}_S·S_s}+\frac{S_S·\gamma }{S_C}+\gamma \approx \gamma$(见实施例)，此时的等效密度即是液体的密度，从而得到方程

PS-PS0≈γ·ΔhS                       (IV)

即低真空状态下，可根据读数管1中的液面位置变化值近似计算出被测量系统的压力变化。

所述的装置型体中的读数管1、回路管2、连通管3和比较腔4用耐压的玻璃、石英或塑料等透明材料通过烧结、粘接、焊接等方法制作成互通的整体结构，传感器密封件6用柔性材料(如橡胶、塑料等)制作。

所述的读数管1内径2-8mm，长度100-800mm；

所述的读数管1刻有标尺，标尺长100-600mm，刻度间隔0.5-2mm；

所述的回路管2内径2-8mm，长度100-800mm；

所述的比较腔4为柱型，其截面积4000-20000mm2，长度100-500mm；

所述的连通管3内径3-8mm，长度50-300mm。

当检测装置处于附图1所示位置(下文称垂直位置)时，卸去压力传感器7，从传感器接口5处注入测量介质，使介质液面位于读数管1刻度尺的中部附近，然后装上压力传感器7。

检测装置安装在铅垂面板上，该铅垂面板可以绕垂直于面板的轴线旋转90°，使检测装置处于附图2所示位置(下文称水平位置)。

用柔性的压缩空气管道(或真空管)连接检测装置与被测量系统。使检测装置处于水平位置，通入压缩空气(或抽真空)后关闭阀门。将检测装置旋转至附图1所示垂直位置，记录读数管1中的液面位置及其在规定时间内的变化量ΔhS，经过换算，即得压力变化(气密性)测量结果PS-PS0。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用差压法检测系统或零部件的气密性，所得测量结果不受被检测系统压力的影响，不受工件体积大小的限制，具有较高的灵敏度和检测精度，检测速度快；

2、本发明通过旋转将U型压差计中的液体移入比较腔4中，借助于空闲的U型管使比较腔4和被测量系统连通，便于施加气压或抽真空；通过反向旋转使液体回到U型压差计中，便于测量，从而使检测装置结构简单，没有阀门等运动部件，可靠性高，使用寿命长，制造价格低廉；

3、本装置体积小，重量轻，携带方便。

4、用本装置取代直接检测装置中的压力传感器，可以利用直接检测装置简单的测量回路，得到较高精度的检测结果。

附图说明：

图1旋转式高精度气密性检测装置(垂直位置)图

图2旋转式高精度气密性检测装置(水平位置)图

图3测量VC0示意图

图中零部件、部位及编号：

1读数管  2回路管  3连通管  4比较腔

5传感器接口  6传感器密封件  7压力传感器  8塑料管

具体实施方式：

1、设计计算

根据方程(I)、(II)、(III)、(IV)和允许的测量误差计算检测装置各部分的尺寸关系。并根据以下原则选择设计参数。

1)读数管1的长度根据测量过程中液面高度变化的范围(对应于泄漏引起的压力变化范围或测量范围)确定，一般为液面高度变化的范围的2-3倍，读数管1的截面积太大会增大测量误差，太小时弯曲液面产生的附加压力会影响测量结果，可根据测量介质的特性及其与读数管1内壁的润湿程度来确定。当以水为测量介质时，读数管1的截面积在7mm2(内径3mm)左右为宜。

2)比较腔的剩余容积应足够大，且即VC0□ΔhS·SS，以使测量误差在允许的范围内。回路管2、连通管3可以采用与读数管1相同规格的材料制作，以减少原材料的品种与规格。压力传感器7用于显示检测装置的绝对压力。

2、制作与安装

检测装置用耐压的玻璃管、石英管、塑料管等透明材料通过烧结、粘接、焊接等方法制作而成。

当检测装置处于附图1所示位置(垂直位置)时，卸去传感器密封件6和压力传感器7，从压力传感器接口5处注入测量介质，使介质液面位于读数管1刻度尺的中部附近，然后装上传感器密封件6和压力传感器7。

检测装置安装在铅垂面板上，该铅垂面板可以绕垂直于面板的轴线旋转90°，使检测装置处于附图2所示位置(水平位置)。

3、检测装置的气密性检测

在检测装置连接被测量系统的接口处串连1个具有良好气密性的阀门后接通气源。让检测装置处于水平状态，施加2倍于被测量系统的压力后，关闭阀门。将检测装置旋转到垂直位置，记录读数管1内的液面位置，恒温静置24小时后，若读数管1内的液面位置没有变化，则表明检测装置具有良好的气密性。

4、测量VC0

1)让检测装置处于水平状态。在检测装置连接被测量系统的接口处连接一透明的、柔性的、初步弯曲成U型管的塑料管8(见附图3)，塑料管8内盛入足够的水(密度1g/cm3)。

2)调整塑料管8的活动端，使塑料管8内的液面高度相同，然后将检测装置旋转到垂直位置。

3)提高塑料管8的活动端，使读数管1内的液面降低到读数管1上刻度标尺的最低位置(见附图3)，测量塑料管8内的水面高度差L1，测量读数管1和回路管2内的液面高度差h1。此时比较腔内4的气体压力记为P1，比较腔4和回路管2上方的剩余空间连同传感器接口5、传感器密封件6、压力传感器7共同包含的容积记为V1，读数管1上方的气体压力记为Pd1，则有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{d1}=P+L_1·{\gamma }_2\\ P_1=P_{d1}-h_1·\gamma \end{array}\right\}---\left(V\right)$

其中P＝101325Pa为标准大气压，γ为检测装置内液体的密度，γ2为水的密度。

4)紧接步骤3)，缓慢降低塑料管8的活动端，使读数管1内的液面与回路管2内的液面平齐。此时读数管1内液面位置到读数管1上刻度标尺的最低位置的距离记为H0，测量塑料管8内的水面高度差L2，此时比较腔4内的气体压力记为P2，比较腔4和回路管2上方的剩余空间连同传感器接口5、传感器密封件6、压力传感器7共同包含的容积为V2，读数管1上方的压力为Pd2，则有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_2=P_{d2}=P-L_2·{\gamma }_2\\ V_2=V_1+H_0·S_S\\ P_1·V_1=P_2·V_2\end{array}\right\}---\left(\mathrm{VI}\right)$

其中SS为读数管1的截面积。根据方程(V)、(VI)解得

$V_1=\frac{(P-L_2·{\gamma }_2)·H_0·S_S}{(L_1+L_2)·{\gamma }_2-h_1·\gamma }$

设测量初始时刻读数管1内液面位置到读数管1上刻度标尺最低位置的高度差为H，则VC0的值为

VC0＝V1+H·SS                                (VII)

5、使用与操作

用柔性的压缩空气管道(或真空管)连接检测装置与被测量系统。

使检测装置处于水平位置，通入压缩空气(或抽真空)后关闭阀门。

将检测装置旋转至附图1所示垂直位置，记录读数管1中液面的位置H以及液面在规定时间内的位置变化量ΔhS，经过换算，即得泄漏压力(气密性)测量结果PS-PS0。

实施例：

本实施例为检测汽车液压制动主缸的气密性。

本实施例的工艺步骤如下：

1、检测装置的尺寸

根据制动主缸的检测要求设计制作的检测装置如下：选用带有表座和密封圈的真空表作压力传感器，U型管中测量介质为水(密度1g/cm3)，读数管1内径3mm，长度320mm，读数管1上标尺长200mm，刻度间隔1mm；回路管2内径3mm，长度300mm；连通管3内径3mm；长度180mm，比较腔4为柱型，其截面积5030mm2，长度200mm。检测装置用玻璃管烧制而成。在压力传感器接口5处加水使水面到达读数管1标尺中部附近，用一小段真空管作为压力传感器密封件6连接压力传感器接口5与真空表表座，然后装上真空表。

V1的测量值为1053ml。

检测时系统绝对压力为PC0＝33.3kPa(即真空66.7kPa)，测量初始时刻读数管1内水面位置到读数管1上刻度标尺最低位置的高度差H为102mm，由此得到

$\delta =\frac{P_{C0}·S_S}{V_{C0}-{\mathrm{\Delta h}}_S·S_S}+\frac{S_S·\gamma }{S_C}+\gamma \approx \frac{P_{C0}·S_S}{V_{C0}}+\frac{S_S·\gamma }{S_C}+\gamma =1.024(g/{\mathrm{cm}}^3)$

测量过程中，直接观察读数管1中水面位置变化(分辨率按1mm计算)，并根据该变化值和方程(IV)计算压力变化PS-PS0，其测量误差为2.4％，测量精度为10Pa。能满足使用要求。

如果采用其它辅助装置提高读数管1内水面位置变化的测量精度，则本检测装置的测量精度还能进一步提高。

2、连接

将检测装置置于水平位置，用真空管连接检测装置与制动主缸的进油口。同时将制动主缸的出油口与真空系统连接。

3、抽真空

启动真空系统抽真空至66.7kPa后，将出油口与真空系统断开。

4、测量

将检测装置旋转至垂直位置，记录读数管1中的水面位置并开始计时。测量过程中缓慢推动制动主缸活塞往复运动4-5次，以检测制动主缸缸体内壁是否有划伤。测量时间为30秒，到时后再次记录读数管1中的水面位置，以得到ΔhS。将检测装置旋转至水平位置，断开进油口与检测装置的连接后，便可以准备下一件产品的测试。

5、效果

用普通真空表检测制动主缸的气密性时，需要在真空66.7kPa静置3分钟，检测效率较低。试验表明，采用本装置检测制动主缸的气密性，测量过程中读数管1内水面位置移动量小于20mm(即压力变化在200Pa以内)的制动主缸都是合格产品，特别地，当制动主缸缸体内壁有划痕时，会出现水面快速下降现象，这是用普通真空表很难检测到的现象，因此采用本装置提高了检测的精度和灵敏度，提高了检测效率。