圧力低下をケーブル引込部の漏れ率に換算するには、有効ガス容積に圧力低下を掛け、測定時間で割ってから、報告圧力と温度の基準に合わせます。私はまず、ガス損失を冷却、容積変化、治具の漏れから切り分けます。これらを管理したうえで、結果から試験した組立品と条件における平均ガス損失率を求められます。
以下の計算例では、0.500 Lの容積で60秒間に生じた0.2 kPaの低下を、記載された基準条件で1.0 mL/minに換算します。2つ目の計算では、わずか0.3°Cの冷却でも同程度の圧力低下が生じる理由を示します。
要点
- 接続された治具と配管を有効ガス容積に含めます。
- 測定時間中のガス温度が安定していることを確認します。
- 圧力低下、圧力・体積スループット、基準体積流量を区別します。
- ガス、試験条件、基準条件を結果とともに報告します。
- 組立品の合否限度と判定ルールを、同じ対象量に適用します。
漏れ率は、指定された条件下で定義済みの境界を単位時間あたりに通過する流体量です。私はまず、接続されたガス空間の周囲にその境界を設定します。ジャンクションボックス全体の試験には、カバーの接合部と接続されたすべての引込口が含まれます。グランド1個だけを隔離する治具では、より限定された組立品を測定します。漏れ率の用語集では、この量と報告条件を説明しています。
まず、気体の種類、圧力差の方向、試験に含める界面を特定します。筐体全体を試験する場合は、蓋のガスケットや他の引込部も結果に影響する可能性があります。接続箱のシール健全性ガイドでは、こうした境界の特定方法を説明しています。
有効ガス容積は、圧力測定によって表される連通ガス空間であり、隔離境界内にある試料の空洞、治具、配管を含みます。固体部品はガスを押しのけ、接続管は容積を加えます。試験装置について指定された方法でこの容積を決定し、測定方法が求める場合は校正済み等価容積を使用してください。Cosmo Instrumentsの漏れ校正に関する解説では、圧力応答を漏れ率の単位に換算するために等価内部容積が必要な理由を説明しています。
容積の誤差は、この換算結果にそのまま反映されます。実際の実効容積が0.5 Lなのに0.4 Lと入力すると、記録された圧力低下が同じでも、計算される漏れ率は20%低くなります。したがって、換算に進む前に容積を正確に求めてください。
私は圧力低下を換算する前に、圧力の推移とガス温度の記録を比較します。ガス量が一定でも、冷却すれば圧力は下がります。NASAの理想気体の状態方程式は、絶対圧力、容積、ガス量、絶対温度の関係を示します。ガス量と容積が一定の場合、圧力はケルビン温度に比例して変化します。
別の、漏れのない例を考えます。気体は絶対圧200 kPa、20°C、すなわち293.15 Kから始まります。計算にはケルビン温度を使います。NISTの温度換算表では、セルシウス温度に273.15を加えます。容積一定のまま0.3°Cだけ冷えると、予測される圧力低下は次のとおりです。
これは、後述する漏れの例で使う0.2 kPaの損失をわずかに上回ります。この圧力低下全体を気体の流出と解釈すると、実際には漏れがないのに漏れがあると誤判定します。
たとえば、この初期条件で冷却による見かけの圧力損失を最大0.02 kPaまで許容する仮定上の測定予算を考えます。容積一定の気体関係から、許容温度変化は293.15 × 0.02 ÷ 200 = 0.029315 K、約0.029°Cとなります。私はこのような計算を使って、必要な温度管理と試験装置で実証された能力を比較します。実際の配分は測定不確かさ予算で設定してください。ここでの0.02 kPaは例示値です。
以下の2つの仮想例は、同じ条件から始まります。一方は温度が安定した状態で気体が失われる場合、もう一方は気体量を一定に保ったまま冷却する場合です。
充填後、ガスと試料の温度が異なることがあります。私は、その試験装置に適した温度測定を用い、手順で定めた安定化基準が満たされた時点から検出時間を開始します。室温だけでは、試料内部で続いている変化を捉えられない場合があります。機械的にたわむ筐体や治具も、充填後に膨張してガス容積を増やし、圧力を下げることがあります。測定された低下が小さいとき、これらの影響は特に重要です。
NASA-STD-7012A第5.5節では、NASA機器の圧力低下法において、内部圧力と気圧、温度、試料容積、治具容積を考慮します。これらの変数は有用な測定参考値です。ケーブル引込部では、実際の組立品と試験装置に定められた安定化基準、試験圧力、合否限度を使用してください。
私はまず圧力・体積スループットを計算し、明示した基準条件で体積流量に換算します。次のモデルでは、圧力損失を、有効容積とガス温度が一定の理想気体の損失として扱います。測定手順によって治具の漏れやその他のバックグラウンド影響を管理します。これらの仮定が当てはまる安定化区間に、この式を使用してください。
これらの仮定上の空気試験値は、安定化した測定区間1つを表します。単位と計算の流れを確認できます。実際の試験圧力と試験区間は、組立品の試験手順に従って選定してください。
| 入力項目 | 記号 | 仮定値 |
|---|---|---|
| 接続された実効気体容積 | 0.500 L | |
| 開始絶対圧 | 200.0 kPa（絶対圧） | |
| 終了絶対圧 | 199.8 kPa（絶対圧） | |
| 検出時間 | 60 s | |
| 試験ガス温度一定 | 20°C = 293.15 K | |
| 基準絶対圧 | 100 kPa（絶対圧） | |
| 基準温度 | 20°C = 293.15 K |
測定された圧力低下はであり、0.2 kPaです。100 kPaの基準圧力は報告に用いる体積を定義するもので、試験圧力でもシール両側の差圧でもありません。試験時の差圧を示すため、外部圧力は別途記録してください。
圧力・体積スループット：単位時間あたりに失われる圧力・体積量で、ここでは試験ガス温度で表します。容積と温度が一定の場合、その平均値は次のとおりです。
リットルとキロパスカルを使うと、数値換算は簡単です。1 kPa·Lは1 Pa·m³に等しくなります。これは1 kPa = 1,000 Pa、1 L = 0.001 m³から導かれます。リットルの換算係数はNISTのSI単位換算表に掲載されています。
この量には気体温度も併記します。これは単位時間当たりの圧力と容積の積を表し、L/min単位の体積流量ではありません。
基準体積流量：単位時間あたりに失われるガス量を、指定された圧力と温度で占める体積として表したものです。理想気体の関係を適用すると次のようになります。
この式では、容積をL、2つの圧力をkPa、温度をK、時間間隔を秒で入力します。係数60は出力をL/minに換算します。計器や計算ツールで°Cを入力する場合でも、温度比には絶対温度を使ってください。
上記の例では、次のようになります。
私はこの結果を、1.0 mL/minの空気流量（基準条件：絶対圧100 kPa、20°C）として報告します。これは60秒間の平均値です。試験はガス温度20°C、絶対圧200.0 kPaで開始しました。境界を通過するガスを駆動する圧力差を決めるため、外圧も併せて記録してください。測定不確かさと該当する限度を踏まえて合否を判断します。
計算ツールは、平均圧力減衰率として0.2 kPa/minも返します。この値は圧力の時間変化を表し、1.0 mL/minは選択した基準条件での等価気体体積損失を表します。
2つの漏れ率を比較するには、まず測定量、単位、基準条件を並べて確認します。同じ条件下で同じ量を表す場合に限り、数値を比較できます。
| 報告する量 | 単位の例 | 併記が必要な情報 |
|---|---|---|
| 圧力減衰率 | kPa/min | 実効容積、気体温度、圧力条件、時間間隔 |
| 基準体積流量 | mL/min または L/min | 基準絶対圧と基準温度、気体の種類、試験条件 |
| 圧力・体積スループット | Pa·m³/s | スループットを表す温度、気体の種類、試験条件 |
| 質量流量 | kg/s | 気体の種類と試験条件。体積流量から求める場合は気体ごとの換算が必要 |
計算例と同じ気体損失でも、報告基準圧力だけを100 kPaから101.325 kPaに変えると、20°Cで約0.987 mL/minになります。試験体の状態が改善したわけではありません。報告上の等価体積が変わっただけです。
「標準体積流量」または「ノルマル体積流量（基準状態換算）」と表示する値には、基準圧力と温度を併記します。NISTの漏れ校正サービス付録Aは、ガス流量のさまざまな量と、標準条件に用いられる複数の温度について説明しています。報告基準を変更すると、所定のガス損失に対応する体積が換算されます。シール両側の実際の圧力差を変えると、ガス損失そのものが変わることがあります。その場合は、対応する試験または検証済みの流量モデルが必要です。
計算ツールの開始圧力と終了圧力、および基準圧力には絶対圧を使ってください。2つのゲージ圧の差は、大気圧基準が変わっていない場合に限り、対応する絶対圧の差と一致します。前述の温度影響を確認する場合にも、絶対圧が重要です。
圧力低下は、接続されたガス空間の総合応答を測定します。私は、時間変化の記録、温度記録、治具の対照データを組み合わせて、次に行う最も有効な確認を決めます。
ケーブルシール、パネルシール、治具に連通した隙間があると、気体が外へ漏れることがあります。透過では、健全な材料の内部を気体が通過します。NISTの透過漏れ標準に関する研究は、物理的な流路を通る流れと材料障壁を通る拡散を区別しています。NISTの漏れ校正サービスでは、アウトガスも圧力測定に影響する要因として挙げています。気体収支を考えると、材料への吸収は圧力を低下させる一方、測定空間への放出は外向きの損失を部分的に覆い隠すことがあります。ケーブルグランドシールを通過する気体・蒸気の透過ガイドでは、これらの材料と界面の違いをケーブル引込部について説明しています。
以下の観測された変化のパターンは、調査の方向付けに役立ちます。各パターンは確認項目を示します。対応する対照試験または温度測定によって、その説明が当てはまるかを判断します。
| 観測された変化のパターン | 調べる要因 | 次に行う有効な確認 |
|---|---|---|
| 充填直後に圧力が最も速く低下し、その後、傾きが小さくなる | ガスの冷却、または治具・試料のなじみ | 温度推移を比較し、手順の安定化基準に従って試験を繰り返します。 |
| 閉止した治具でも同様の下降曲線が見られる | 治具のシール、バルブ、配管、計器のバックグラウンド | ケーブル引込部に帰属させる前に、治具の応答を特定して対処します。 |
| 温度と容積が安定した後も圧力が低下し続ける | 接合部からのガス漏れ、または材料の透過 | 指定された位置特定試験または対照試験で経路を切り分けます。 |
| 圧力が上昇する、または予想した低下が小さくなる | 昇温、または測定空間へのガス放出 | 温度とコンディショニング履歴を比較し、その後、バックグラウンド応答を確認します。 |
手順でバックグラウンド補正が必要な場合、私は実測した再現性のある対照データを使います。閉止治具の応答が変化すれば、ケーブルシールを交換する前に試験装置の問題を特定できる場合があります。測定に複数の経路が含まれたままの場合は、試験した境界全体に結果を関連付けてください。これにより、ガス総損失と特定接合部の漏れを区別しながら、組立品を比較できます。
計算した1.0 mL/minを評価するには、同じ条件で組立品に適用される限度と比較します。同じガス、圧力の方向、試験圧力、温度、コンディショニング、報告基準である必要があります。私は方法と対象に含めた接続部も確認します。ボックス全体の結果には、単一引込口用の治具では除外される経路も含まれます。そのため、限度と境界は同じ組立品を対象とする必要があります。
判定ルールとは、限度への適合を判断する際に測定不確かさを考慮するための合意済みの方法です。ILAC-G8:09/2019では、この関係と合格境界の使い方を説明しています。作業に定められたルールを適用し、測定前に必要な選定を合意してください。これにより、限界付近の結果を一貫して解釈できます。
計算の追跡可能性を保つため、次の情報を併せて記録してください。
ゼロ表示の場合は、方法の分解能と実証済みの検出能力を確認してください。その能力を下回る損失は判別できない場合があり、相殺するバックグラウンド影響によって見かけの低下が小さくなることもあります。手順の報告規約に従って、方法で識別できる結果または該当する検出限界を報告してください。
IEC 60529は、該当する試験によって筐体の侵入保護等級を分類します。ガス漏れの結果とIP評価は、それぞれの試験方法に対応付けてください。組立品について必要な性能との関係が検証されていれば、製造時のガス漏れ試験を検査に活用できます。
私はまず接続容積を定義し、温度、容積の安定性、治具のバックグラウンドを確認してから、圧力低下の推移を漏れ率に換算します。次にガス損失を計算し、基準条件を明記します。この例の結果は、100 kPa絶対圧、20°Cで1.0 mL/minです。別の冷却例から、解釈に温度を考慮する理由が分かります。
組立品の限度と結果を比較するときは、同じ境界、ガス、圧力条件、報告基準を使用してください。不確かさについて合意した判定ルールを適用し、後の検査やトラブル対応に使えるよう、試験構成とともに結果を記録します。
IP等級は該当する侵入試験によって判定されます。圧力低下試験は、その試験条件下でのガスの挙動を測定します。組立品について相関が検証されていれば製造検査を補助できますが、mL/minの値をIPコードに一律換算することはできません。
計算ツールが求める開始時と終了時の絶対圧力を使用してください。ゲージ圧の読み値は該当する大気圧を使って換算します。大気圧の基準が一定であれば、2つのゲージ圧の差は絶対圧の差と同じです。基準圧力と熱計算に使用する圧力も絶対圧でなければなりません。
ゼロ表示は、方法の分解能または検出能力を下回る変化を表している場合があります。温度やバックグラウンドの影響が損失の一部を相殺することもあります。私は、試験条件とともに方法で識別できる結果または検出限界を報告し、その後、規定の限度と判定ルールを適用します。
圧力の読み値は、隔離境界内で連通するすべてのガス空間を表します。接続された配管や治具の空洞も、所定の圧力低下に対応するガス量に含まれます。接続空間を含め、方法が求める有効容積または校正済み等価容積を使用してください。