<?page no="0"?> KLAUS KUTZKE Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor KLAUS KUTZKE Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor Ein Leitfaden zum praktischen Einsatz bei der Qualitätssicherung und Wartung ISBN 978-3-8169-0822-7 Dies ist das erste Buch, das umfassend die Anwendung von »Helium- Prüfungen« behandelt. Dabei ist es nicht nur eine »Rezeptesammlung« für jene, die diese empfindliche und zuverlässige Prüfmethode selbst durchführen wollen; es vermittelt auch die notwendige Sachkunde, solche Verfahren in eigene Prüf- und Abnahmevorschriften zu übernehmen und ein kompetenter Gesprächspartner für Anbieter von He-Tests und Leckdetektoren zu sein. Es gibt eine kurze, aber prägnante Einführung in die Grundlagen dieses Zweiges der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die Verfahren der Lecksuche und Dichtheitsprüfung mit dem Helium-Detektor werden (einschließlich ihrer Grenzen und möglichen Messfehler) ausführlich dargestellt. Es hilft bei der Auswahl geeigneter Geräte. Es ist aus der Praxis für die Praxis geschrieben. <?page no="1"?> Klaus Kutzke Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor <?page no="3"?> Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor Ein Leitfaden zum praktischen Einsatz bei der Qualitätssicherung und Wartung Ing. Klaus Kutzke Mit 53 Bildern und 3 Tabellen expertttllJver1ag <?page no="4"?> Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme Kutzke, Klaus: Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor : ein Leitfaden zum praktischen Einsatz bei der Qualitätssicherung und Wartung/ Klaus Kutzke. - Renningen-Malmsheim : expert-Ver! ., 1998 ISBN 3-8169-0822-5 kart. ISBN 3-8169-0822-5 Bei der Erstellung des Buches wurde mit großer Sorgfalt vorgegangen; trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag und Autoren können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler sind Verlag und Autoren dankbar. Cl 1998 by expert verlag, 71272 Renningen-Malmsheim Alle Rechte vorbehalten Printed in Germany Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. <?page no="5"?> Vorwort Ursprünglich in der Hoch- und Ultrahochvakuumtechnik beheimatet, hat sich die Dichtheitsprüfung und Lecksuche mit Helium in jüngster Zeit ein weites Anwendungsfeld erschlossen; insbesondere sind chemische und verfahrenstechnische Anlagen und ihre Komponenten zu nennen. Sie ist heute eines der effektivsten und empfindlichsten Werkzeuge bei der Dichtheitsprüfung und Lecksuche. Mit ihr lassen sich auch gestiegene Dichtheitsforderungen, wie sie z.B. aus verschärften Umweltauflagen und erhöhten Anforderungen an die Reinheit von Produkten resultieren meßtechnisch verifizieren. Naturgemäß weist die Helium-Prüfung viele Gemeinsamkeiten mit anderen Verfahren, die das Durchdringen von Testgasen zum Nachweis der Dichtheit oder zur Lokalisation von Lecks nutzen, auf, es gibt aber auch deutliche Unterschiede. So befasst sich der erste Teil dieses Buches mit grundlegenden Definitionen über Lecks und Leckraten sowie dem Vergleich anderer Verfahren mit der Heliumprüfung. Gegenstand des zweiten Teils ist der Helium-Leckdetektor, das eigentliche Nachweisgerät. Hier werden die verschiedenen Bauformen, wie sie heute von der Industrie angeboten werden, vorgestellt und in ihren Einsatzmöglichkeiten verglichen. Der Anwender soll dabei in die Lage versetzt werden, ein für seine Bedürfnisse optimales Gerät auszuwählen. Den Schwerpunkt bildet der dritte und vierte Teil, in dem die verschiedenen Prüfverfahren vorgestellt und ihr Einsatz an Hand konkreter Beispiele aus der Praxis des Autors beschrieben werden. Soweit notwendig wird auf die Grundlagen der Vakuumtechnik und -physik eingegangen, da sie leider immer noch kein fester Bestandteil in allen technischen Studien- und Ausbildungsgängen sind. Der Leser soll dabei befähigt werden, die vorgestellten Verfahren für seine speziellen Anwendungen anzupassen und zu optimieren. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. W. Schmidt, dem Leiter der Ausbildungsstätte Dortmund der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung e.V. (DGZf P) der die Anregung zu diesem Buch gab und mich in zahlreichen konstruktiven Diskussionen unterstützte. Hervorgegangen ist dieses Buch aus Vorlesungen und Übungen, die der Autor im Rahmen von Kursen über Dichtheitsprüfung und Lecksuche bei der DGZfP in Dortmund gehalten hat. So wendet es sich auch vornehmlich an den Praktiker, der sich im Rahmen der Qualitätssicherung oder Wartung mit Fragen der Dichtheitsprüfung und Lecksuche zu befassen hat. <?page no="6"?> Inhalt Vorwort Verzeichnis der Bilder und Tabellen 1. Tell: Allgemelnes zur Lecksuche und Prüfungen 1 1. Elnleltung: Der Weg zum Helium-Leckdetektor 1 2. Grundlagen zur Dichtheitsprüfung und zu den Lecksuchtechniken 2 2.1. Maßeinheiten für die Leckraten 2 2.2. Lecks und Leckraten 3 2.2.1 Größe der Lecks 4 2.2.2 Abhängigkeit der Leckraten 5 2.3. Y,erfahren zur Dichtheitsprüfung und Lecksuche 8 2.3.1 Uberdruckverfahren 8 2.3.2 Vakuumverfahren 10 2.3.3 Vergleich der verschiedenen Verfahren 12 II. Die Geräte 14 3. Der Helium-Leckdetektor 14 3.1. Funktion des Helium-Leckdetektors 14 3.1.1 Das Massenspektrometer 15 3.1.2 Massenspektrometer in Helium-Leckdetektoren 17 3.1.3 Die Vakuumeinrichtung 19 3.1.4 Das Testgas, Helium 30 3.2. Funktionsprinzipien 32 3.2.1 Das Hauptstromprinzip 33 3.2.2 Das Gegenstromprinzip 34 3.2.3 Das Schleifenprinzip 37 3.3. Aufbau der Helium-Leckdetektoren 38 3.3.1 Die Tischgeräte 39 <?page no="7"?> 3.3.2 Die transportablen Geräte 43 3.4. Behandlung der Helium-Leckdetektoren 47 3.4.1 Hinweise zum Betrieb• 48 3.4.2 Mögliche Störungen 50 3.4.3 Einstellen und Justieren der Helium-Leckdetektoren 52 III. Teil: Prüfverfahren und -methoden 55 4. Prüfverfahren 55 4.1. Vakuumverfahren 56 4.1.1 Das Hauptstromverfahren 60 4.1.2 Hauptstromverfahren mit Transportpumpe 61 4.1.3 Teilstromverfahren 63 4.2. Überdruckverfahren 69 4.2.1 Die Zusatzgeräte zur Überdruckprüfung 71 4.2.2 Bestimmen der Empfindlichkeit 73 4.3. Prüfmethoden 75 4.3.1 Y.akuum-lntegraltest 75 4.3.2 Uberdruck-lntegraltest 81 4.3.3 Vakuum-Lecksuche 85 4.3.4 Überdruck-Lecksuche 89 4.4. Bombing-Verfahren 94 4.5. Prüfobjekte und Hilfsmittel 95 4.6. Prüfprotokoll/ Dokumentation 97 IV. Tell: Belsplele aus der Praxis 100 5. Vakuumverfahren 101 5.1 Optimale Prüfmethode, lntegraltest 101 5.2 Hüllentest mit Teilstrom 106 5.3 Wärmetauscher, lntegraltest und Lecksuche 109 5.4 Lecksuche mit Teilstrom am Vakuumofen 114 5.5 Lecksuche an einer großen Anlage z.B. Kraftwerk 119 5.6 Dichtheitsprüfungen im Hochvakuumbereich 122 6. Überdruckverfahren 124 6.1 lntegraltest eines Gasbehälters in einer Haube 124 6.2 Dichtheitsprüfung einse Sicherheitswärmetauschers 128 6.3 lntegraltest eines Kondensators 130 6.4 Lecksuche am Doppelboden eines Lagertanks 131 <?page no="8"?> V. 1. 2. 3. Anhang Zusammenstellung der verwendeten Formeln Literaturverzeichnis Sachregister 134 134 139 141 <?page no="9"?> Verzeichnis der Bilder und Tabellen Bild-Nr. Seite 2.1 Lecks im Material 5 2.2 Leckraten / Durchmesser 6 2.3 Druckanstiege 10 3.1 Massenspektrometer von Champeix 16 Aus Archiv Fa. Leybold 3.2 Trennsystem 180° magnetisch 18 Aus Prospekt Fa. Leybold 3.3 Hauptstromprinzip 20 3.4 Strömungsarten 21 Bilder von DGZfP 3.5 Drehschieberpumpe 23 Aus Prospekten Firmen Balzers u. Leybold 3.6 Öldiffusionspumpe 25 Aus Unterlagen Fa. Leybold 3.7 Turbomolekularpumpe 26 Aus Unterlagen Fa. Balzers 3.8 Saugvermögen einer Turbopumpe 28 3.9 Kompressionsverhältnis 28 Aus Unterlagen Fa. Leybold 3.10 Spektrum bei Luft 30 Aus Unterlagen Fa. Leybold 3.11 Leckmesser (erste Geräte) 33 Aus Archiv Fa. Leybold 3.12 Hauptstromprinzip 34 3.13 Gegenstromprinzip 35 3.14 Gegenstromprinzip mit 2 HV-Pumpen 36 3.15 Zweiflutige Turbopumpe 37 3.16 Funktionsschema. Schleifenprinzip 38 3.17 Funktionsschema - Hauptstrom 40 Aus Prospekt Fa.Veeco 3.18 Funktionsschema - Gegenstrom 41 Aus Prospekt Fa. Leybold 3.19 Funktionsschema - Transportabel 44 Aus Unterlagen Fa. Balzers 3.20 Vergleich der Arbeitsprinzipien 45 Aus Unterlagen der Fa. Alcatel <?page no="10"?> 3.21 Vergleich der Empfindlichkeit 46 Aus Unterlagen der Fa. Alcatel 3.22 Diffusionsleck 53 Aus Prospekt Fa. Leybold 3.23 Kapillarleck 53 Aus Prospekt Fa. Leybold 4.1 Anstieg des Heliumdruckes 59 4.2 Hauptstromverfahren 61 4.3 Hauptstromverfahren mit Transportpumpe 62 4.4 Lecksuche nach Teilstromverfahren 63 4.5 Teilstromverfahren mit Pumpsatz 65 4.6 Heliumdruck durch Testlecks 66 4.7 Schnellschnüffler 72 4.8 lntegraltest, Vakuum, Tischgerät 77 4.9 Hüllentest, Vakuum 78 4.10 Vakuum, lntE! ~raltest, Überdruck 79 4.11 lntegraltest, Uberdruck, Haube 81 4.12 Hüllentest, Überdruck 84 4.13 Leckrate - Differenzdruck 85 4.14 Vakuumlecksuche - Tischgerät 86 4.15 Teilstrom - Pumpsatz 87 4.16 Schweißnähte abkleben 88 Aus Unterlagen der DGZfP 4.17 Testgaswolke 90 Aus Unterlagen der Fa. Leybold 4.18 Abhängigkeit der Leckratenanzeige 91 Aus Unterlagen der Fa. Leybold 4.19 Heliumeintritt in Schnüffler 92 Aus Unterlagen der Fa. Leybold 4.20 Empfindlichkeitskontrolle 92 Aus Unterlagen der Fa. Leybold 5.1 Vakuum-lntegraltest eines mit Überdruck gefüllten Behälters 104 5.2 Hüllentest nach dem Vakuum Teilstromverfahren 108 5.3 lntegraltest bei einem Wärmetauscher nach dem Vakuumverfahren 111 5.4 Saugvermögenskurven einiger Pumpsätze 115 Aus Unterlagen der Fa. Leybold 5.5 Vakuumschema eines Vakuum-Glühofens 117 6.1 lntgraltest eines mit Überdruck gefüllten Behälters 126 6.2 Sicherheits-Wärmetauscher 129 Die Bilder ohne besonderen Hinweis stammen vom Autor nach eigenen Kenntnissen, Erfahrungen und Berechnungen. <?page no="11"?> Tabelle Nr. 2.1 2.2 3.1 Einheiten der Leckrate Empfindlichkeiten Zusammensetzung der Luft 3 12 31 <?page no="13"?> 1. ALLGEMEINES zu DICHTHEITSPRÜFUNGEN 1. Einleitung: Der Weg zum Helium-Leckdetektor In vielen Bereichen der Technik sind in diesem Jahrhundert die Ansprüche an die Dichtheit von Bauelementen und Verfahrens-Anlagen sehr stark gewachsen. Die Gründe liegen in dem Einsatz gefährlicher und giftiger Stoffe, z.B. in der Kern- und Chemietechnik, und den Verfahren, die im Vakuum ablaufen müssen oder bei denen der Zutritt von Luft, besonders Sauerstoff, stört. Wenn nun besondere Anforderungen an Geräte gestellt werden, muß auch die Möglichkeit vorhanden sein, die Erfüllung dieser Bedingungen zu überprüfen. Es genügt nicht nur die Dichtheit zu kontrollieren, die Leckstellen müssen auch lokalisiert werden, um sie zu beseitigen. Von den verschiedenen Bereichen der Technik war und ist die Vakuumtechnik in Bezug auf die Dichtheit der Bauteile und Anlagen die anspruchsvollste. Dies ist verständlich, weil eine einströmende Gas-/ Luftmenge, die Leckrate, von 1 *1 Q-3 cm3/ s bei einem Druck von 1 *1 Q-3 mbar ein Volumen von 1 und bei 1o-s mbar von 1000 Litern einnimmt (Boy/ e- Mariottesches Gesetz: p * v = konst.). Dadurch werden bei vorhandenen Lecks, um den benötigten Druck zu halten, entsprechend größere und teurere Pumpen notwendig. Deshalb hat sich die Forschung im Bereich der Vakuumtechnik besonders stark mit der Entwicklung von Geräten zur Dichtheitsprüfung, zur Lecksuche und zum Messen der Leckrate befaßt. Nach einigen nicht befriedigenden Methoden und Geräten wurde über das Massenspektrometer der Helium-Leckdetektor zur Serienreife entwickelt. Dieses Gerät erfüllt die gestellten Forderungen. Da auch die Bedienung sehr einfach ist, wird es heute in fast allen Bereichen der Technik eingesetzt. Es ist jetzt zum Standardgerät für Dichtheitsprüfungen geworden. Immer mehr wird die geforderte Dichtheit als maximal zulässige Leckrate, gemessen mit dem Helium-Leckdetektor nach Vakuum- oder Überdruckverfahren, angegeben. Da das Gerät aus dem Bereich der Vakuumtechnik kommt, sind viele Begriffe dem Vokabular der Vakuumphysik entnommen. Um auch den Anwendern in anderen Bereichen den Aufbau, die Einsatzmöglichkeiten und die Grundlagen der Bedienung des Helium-Leckdetektors nahe zu bringen, wurde diese Abhandlung zusammengestellt. <?page no="14"?> 2. 2.1. Grundlaaen zu Dichtheitsprüfungen und LecRsuchtechniken Maßeinheiten für die Leckraten Der Bedarf von dichten Bauelementen und Verfahrensanlagen in den unterschiedlichen Bereichen der Technik erfordert zwischen Herstellern und Anwendern eine einheitliche Sprache zu diesem Thema .. Da man sich besonders in der Vakuumtechnik intensiv mit dem Problem der Dichtheitsprüfungen und Lecksuche beschäftigt, sind auch die Bezeichnungen und Maßeinheiten zum größten Teil dem Sprachschatz der Vakuumphysik entnommen. So ist der Ausdruck für die Größe eines Lecks die Leckrate. Sie gibt die Gasmenge an, die in einer bestimmten Zeit durch ein Leck von dem höheren zu dem niedrigeren Druckbereich strömt. Ihre Maßeinheit ist: mbar * I / s (millibar mal Liter pro Sekunde) t mbar*l/ s ist die Gasmenge, durch die in 1 Sekunde bei einem Volumen von 1Liter eine Druckänderung von 1 mbar bewirkt wird, sie entspricht 1 cm3 (NPTI Gas pro Sekunde. Die gleiche Einheit ist in der Vakuumphysik für den p*V-Durchfluß genormt (Druck mal Volumen pro Zeiteinheit). Durch diese genormte Maßeinheit wurden die bisher bei den verschiedenen Branchen benutzten Angaben für die Dichtheit oder die Leckrate ersetzt. So wurde z.B. bei Kühlmaschinen der Kältemittelverlust in g/ Jahr, bei Dampfturbinen die einströmende Luftmenge in kg/ h und bei großen vakuumisolierten Behältern der Druckanstieg in einer bestimmten Zeit angegeben. In der Tabelle 2.1 sind die teilweise noch benutzten und die ausländischen Einheiten mit dem Umrechnungsfaktor in mbar*l/ s aufgeführt. Bei der Angabe der Leckrate muß unterschieden werden zwischen der: Gesamt-Leckrate, das ist die gesamte Gasmenge, die durch eine oder mehrere Leckstellen aus oder in einen Prüfling strömt, und der: Einzel-Leckrate, sie gibt die durch ein Leck strömende Gasmenge an. Oft wird sie mit Leckkagerate bezeichnet. Wenn zur Leckrate keine Angabe der dazugehörigen Druckdifferenz gemacht wird, beträgt diese 1 bar (qLN)- 2 <?page no="15"?> Tabelle 2.1: Aufstellung der noch benutzten Einheiten der Leckrate mit den Umrechnungsfaktoren in mbar*1/ s ■bar*l/ s = 1 1 Pa*l/ s = 1,0*lo-2 1 cm3 (NPTl / s = 1,05 1 Torr*l/ s = 1,33 kg Luft 20°c / h = 2,33*102 g Kältemittel R 12 / Jahr = 6,4*10-6 micron*cuft/ min = 6,3*10- 4 l Pa*m3/ h = 0, 1 1 Lusec = 1,33*10- 3 1 Watt = (Pa = Pascal); (1 micron = 10-3 Torr> ILusec aus L = Liter; u = 10-3 Torr; sec= Secundel mbar*l/ s Die gleichen Einheiten, besonders mbar*l/ s, werden auch bei folgenden Größen benutzt: p *v- Durchfluß Saugleistung einer Vakuumpumpe Gasmenge, die durch eine Leitung strömt Permeationsleitfähigkeit (Gasdurchlässigkeit). Diese letztere Eigenschaft verschiedener Werkstoffe, besonders der gummielastischen Dichtungs-Materialien, führen bei der Lecksuche mit Testgasen oft zu Fehlmessungen. Bei längerem Beaufschlagen einer Dichtung mit Helium diffundiert das Gas durch das Material und der Leckdetektor zeigt den Heliumstrom an, wodurch ein Leck vorgetäuscht wird. 2.2. Leckraten und Leckgrößen Bei den vielen Geräten und Anlagen unterscheiden sich die Anforderungen an die Dichtheit nach ihrem Einsatzbereich. So darf ein Behälter für Flüssigkeiten kein Einzelleck größer als 1 *1 o-4 bis 1 Q-5 mbar*l/ s je nach Art der Flüssigkeiten haben. Die Gesamtleckrate kann in diesem Fall sogar größer sein. In der Kerntechnik wird z.B. eine Gesamt-Leckrate für Behälter und Anlagen von 1 Q-7 bis 1 Q-9 mbar*l/ s gefordert. 3 <?page no="16"?> In der Chemietechnik genügen 1o-3 bis 1o- 5 mbar*l/ s. Für evakuierte und dann abgeschlossene Bauelemente wie Elektronenröhren, Vakuumschalter und Relais werden Leckraten 1 o- 7 bis 10-9 mbar*l/ s verlangt, ebenso für Vakuumisolationen. In der Vakuumtechnik richtet sich die maximal zulässige Leckrate nach dem Druckbereich, in dem die Anlage arbeitet. Richtwerte sind 1o-3 mbar*l/ s für den Feinvakuum- (1 bis 10-3 mbar) und 10-s mbar*l/ s für den Ultrahochvakuum-Bereich (kleiner 10- 7 mbar). Diese wenigen Beispiele zeigen schon den breiten Bereich für Dichtheitsprüfungen und die Lecksuche. Im Abschnitt 2.3 werden einige Methoden für die verschiedenen Einsatzbereiche aufgeführt. Um bei der Lecksuche mit Testgasen möglichst wirtschaftlich zu arbeiten, ist es günstig die besonders gefährdeten Stellen zu kennen. Lecks werden durch Fehler im Material selbst oder bei der Bearbeitung und der Montage der Bauelemente und Anlagen verursacht. Besonders oft sind es Dichtungen an denen Leckstellen auftreten können, hervorgerufen durch schlechte Bearbeitung, Beschädigung der Dichtfläche oder Fremdkörper auf dem Dichtmaterial. Bei Guß material oder bei Schweißnähten können durchgehende Poren vorhanden sein. Selbst bei Walzmaterial (Stangen) treten in Walzrichtung Poren auf. Bild 2.1 illustriert einige Möglichkeiten. Bei der Prüfung mit Testgasen sind während des Absprühens die Lecks mit der Form eines Kanals (Bild 2.1.a) gut zu bestimmen. Schwieriger wird die Lokalisierung, wenn zwischen Ein- und Austrittsöffnung ein Hohlraum vorhanden ist, in dem sich Testgas ansammelt. Diese Lecks treten bei porösem Material, Doppelwänden und doppelten Schweißnähten auf (Bild 2.1.b.c.d). Dadurch wird die Ansprechzeit vom Aufsprühen des Testgases bis zum Eintritt in das Prüflobjekt ebenso wie die Abklingzeit verlängert. 2.2.1. Leckgrößen Nun ist es auch interessant, einen Anhaltspunkt über die Größe der Leckstellen (des Loches) zu bekommen, um zu entscheiden, ob auch mit anderen Methoden (z.B. Röntgenstrahlen oder Ultraschall) die Leckstellen erkannt werden können. Bei den vielen Formen, die eine Leckstelle haben kann, ist es nicht möglich, für eine bestimmte Leckrate und Materialstelle den Lochdurchmesser anzugeben. Um trotzdem wenigstens einen Anhaltswert zu bekommen, wurde die Leckrate nach dem Gesetz von Hagen-Poisseuille für einen Kanal (Bild 1.a) bei laminarer Strömung berechnet. Als Maße wurden eingesetzt: Länge 1= 5 mm (Wandstärke); Durchmesser d = 1,0 bis 0,001 mm ; Druckdifferenz p = 1 bar. Die Rechnung wurde für ein Vakuumverfahren, bei dem das Gas (Luft) aus der Atmosphäre in 4 <?page no="17"?> a)lanal d)überlappte Scbwei,Snaht wx? ~~-l b)dc,ppelte Scbwei,Snaht i ~ / 1\ "/ 1\ e)Poren c)Doppelwand f) Walzaaterial ■ it Pore Bild 2.1: Oft auftretende Lecks in Material und Schweißnähten das evakuierten Prüfobjekt und für ein Überdruckverfahren, bei dem das Gas aus dem mit 1 bar Überdruck gefüllten Prüfobjekt in die Atmosphäre strömt, durchgeführt. Die Ergebnisse sind im Bild 2.2 als Diagramm auftragen. Die Berechnungen zeigen, daß ein Leck von 5 mm Länge und 0,01 mm Durchmesser eine Lekkagerate von: 1,2*10"4 cm3(NPT)ls bei Vakuumverfahren u. 3,6*10"4cm3(NPT)ls bei Überdruckverfahren verursacht. Ein solches Leck kann z. B. ein radial verlaufender Kratzer auf einer Dichtfläche sein. 2.2.2. Abhängigkeit der Leckraten Die Größe der Leckrate, das heißt die Gasmenge, die durch ein Leck strömt, ist nicht nur von der Geometrie des Leckkanals, sondern auch von dem Differenzdruck, der Gasart und dem Prüfverfahren abhängig. Bild 2.2 zeigt auch den Unterschied der Leckrate zwischen den Vakuum- und Überdruckverfahren bei gleicher Leckgröße und gleichem Differenzdruck. Einfluß des Differenzdruckes: Nicht immer ist es möglich, das Prüfobjekt unter den Bedingungen der angegebenen noch zulässigen Leckrate zu prüfen. Deshalb ist es notwendig, die für einen bestimmten Differenzdruck angegebene Leckrate auf die bei der Prüfung vorhandene Druckdifferenz umzurechnen. Dazu gibt es zwei Formeln, die je nach der im Leck-Kanal vorherrschenden Strömungsart (laminare oder molekulare Strömung), eingesetzt werden. Nun ist es 5 <?page no="18"?> / ,02 10 1 10° l7l E-f ,0-1 ~ '.J ,0-2 "" () 10-3 i: : <I> .... ,o-4 1-< .J,f 10-5 () ,-: i 10-6 10-7 ,o-a 0,01 0,1 1,0 Durchmesser in lllD1 Kurve "a" = von Atmosphäre in Vakuum 1 mbar Kurve "b" = von 1 bar Überdruck in At: nosphäre Bild 2.2: Berechnete Luftleckrate in cm 3 (NPT)/ s eines Lecks (Kanalform) bei laminarer Strömung in Abhängigkeit vom Durchmesser bei 5 mm Länge und 1 bar Druckdifferenz nicht möglich, für jedes Leck die darin auftretende Strömungsart zu bestimmen, aus der praktischen Erfahrung wird angenommen, daß bei 1 bar Druckdifferenz In Lecks mit einer Leckrate für Luft größer 1 *1 Q-6 mbar*l/ s laminare Strömung und kleiner 1*10-1 mbar*l/ s molekulare Strömung herrscht. Bei Laminarströmung ist die Leckrate vom Quadrat der Drücke abhängig. Die Umrechnung erfolgt nach der Formel: ( 1) Dabei wird der niedrige Druck p 2 bei Überdruckverfahren fast immer 1 bar (Atmosphäre) und bei Vakuumverfahren kleiner 10 mbar sein. 6 <?page no="19"?> Bei den Überdruckverfahren ist es günstig, die Druckdifferenz (den Innendruck) zu erhöhen, die Leckrate wird dann größer und dadurch kann die Leckstelle leichter lokalisiert und beim Hüllentest die Standzeit verringert werden. Für Lecks kleiner 1 o- 7 mbar*l/ s, in denen Molekularströmung herrscht, verändert sich die Leckrate im Verhältnis der Druckdifferenz. Die Umrechnung erfolgt nach der Formel: (2) Prüfobjekte mit dieser geforderten Dichtheit werden fast immer nach Vakuumverfahren untersucht, dabei ist normalerweise keine Umrechnung erforderlich, weil die Druckdifferenz normalerweise 1bar beträgt. Einfluß der Gasart: Während zur Prüfung Helium als Testgas eingesetzt wird, kann der Prüfling für ein anderes Gas bestimmt sein, für das die maximal noch zulässige Leckrate angegeben wird. Auch für diesen Fall kann die Leckrate umgerechnet werden. Hier spielt die Größe des Einzellecks die gleiche Rolle wie beim Einfluß der Druckdifferenz. Für Lecks größer 1o-s mbar*l/ s ist die Dynamische Viskosität (Zähigkeit) und für Lecks kleiner 1 Q-7 mbar*l/ s die molekulare Masse der Gase maßgebend für die Umrechnung. Für Lecks mit Laminarströmung (Leckrate größer 1 Q-6 mbar*l/ s) gilt: qLHe = qLG * (Z~ZH 8 ) mbar*l/ s Für Lecks mit Molekularströmung (Leckrate kleiner 1 o- 7 mbar*l/ s) gilt: qLHe = qLG * (M~MHe) mbar*l/ s (3) (4) Berechnungen nach diesen Formeln zeigen, daß bei einem gleichen Gas die Leckrate von Helium, abhängig von der Strömungsart größer oder auch kleiner als die des Gases sein kann. Sollen Behälter für Flüssigkeiten mit Helium-Leckdetektoren auf Dichtheit geprüft werden, gilt zur Umrechnung der zulässigen Leckrate die gleiche Formel wie für Gase bei laminarer Strömung im Leck-Kanal. Die Leckraten verhalten sich wie die Dynamischen Viskositäten (Zähigkeiten) von der Flüssigkeit zum Testgas. (5) In dieser Formeln wird anstelle der Dimension "mbar*l/ s" die Maßeinheit "cm3/ s" eingesetzt. (Umrechnung nach Tabelle 1). Die Drücke Pt und p 2 werden, wie in der Hydraulik üblich, in bar anstelle mbar angegeben. Die Umrechnung von Gasin Flüssigkeitsleckrate wird in der Praxis kaum vorkommen. In den Formeln gilt: 7 <?page no="20"?> Für "q": L1 = bekannte, L2 = gesuchte, LHe = Helium, LG= Gas und LF = Flüssigkeits - Leckrate. Für "p": 1 = höherer, 2 = niedrigerer, 0 1 = bei L1, =0 2 bei L2 Druck. Dynamische Viskosität= "2", molekulare Masse= "M". Auf eine Tabelle der molekularen Masse und der dynamischen Viskosität der Gase und Flüssigkeiten wurde hier verzichtet, weil diese Werte in den entsprechenden Fachbüchern enthalten sind. 2.3. Verfahren zur Dichtheitsprüfung und Lecksuche Damit nicht nach der Montage von Anlagen und ihrer Inbetriebnahme Mehrarbeit durch undichte Bauelemente oder Montagefehler anfällt, sollten sie vor der Montage auf Dichtheit geprüft, und wenn notwendig, Lecksuchen durchgeführt werden. Je nach Anforderung an die Dichtheit und Art des Bauteiles oder der Anlage wurden und werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Dabei wird zwischen Überdruck- und Vakuumverfahren unterschieden. Maßgebend ist der im Prüfobjekt herrschende Druck. Im Felgenden werden die gebräuchlichsten Methoden, für die noch Meßgeräte angeboten werden, kurz beschrieben und in einer Zusammenstellung miteinander verglichen. 2.3.1. Überdruckverfahren Wasserdruckprobe (lntegraltest / Lokalisierung/ Festigkeitsprüfung) Die Wasserdruckprobe dient eigentlich zur Prüfung der Haltbarkeit unter Betriebsbedingungen mit ausreichender Sicherheit. Durch Messen des Druckes über eine gewisse Zeit nach dem Absperren des unter Druck stehenden Prüfobjekts kann auch die Dichtheit festgestellt und Leckstellen können durch austretende Feuchtigkeit erkannt werden. Luft-Wasser bzw. Luft-Seifenblasen-Test (Nekal-Test) (Lokalisierung) Das mit Luft/ Gas unter Überdruck gehaltene Prüfobjekt wird vollständig unter Wasser/ Flüssi~keit getaucht. Vorhandene Lecks sind durch austretende Blasen zu erkennen. Uber die Größe und die Anzahl der in der Zeiteinheit aufsteigenden Blasen, besser durch Auffangen derselben in einem Meßzylinder, kann die Leckrate in cm3 (NPT)/ s und damit in mbar*l/ s bestimmt werden. Kleine Lecks zu erkennen erfordert besondere Behandlung der Flüssigkeit und große Übung und Sorgfalt des Prüfenden. Beim Luft-Seifenblasen-Test wird das unter Überdruck gehaltene Objektmiteinem schaumbildenden Mittel bestrichen. Lecks sind durch die sich bildenden 8 <?page no="21"?> Blasen zu erkennen. Die Leckrate kann nicht bestimmt werden. Durch Steigerung des Druckes kann die Leckrate erhöht und damit die Leckstelle besser erkannt werden. Druckabfallmethode (lntegraltest) Beim unter Überdruck stehenden und abgesperrten Prüfobjekt wird der Druck über die Zeit gemessen, bei vorhandenen Lecks fällt er ab. Die Leckrate kann dann nach folgender Formel berechnet werden. Darin ist: "V" = Volumen des Prüflings ; ''t'' = Meßzeit; p 1 = Druck zur Zeit "0", p 2 = Druck nach Zeit ''t''. (6') Diese Methode hat den Nachteil, daß bei kleinen Lecks die notwendige Standzeit bis zu einem meßbaren Druckabfall sehr lang wird. So würde bei einem Behälter von V = 1000 1 Volumen mit einem Leck von 1*1 o- 2 mbar*l/ s und 1 bar Überdruck erst nach 55.6 Stunden Standzeit der Druck um p = 2 mbar (0, 1 % vom absoluten Fülldruck} abgefallen sein. Es besteht außerdem die Gefahr, daß durch Temperaturänderung der Druck sich auch im Prüfobjekt ändert und dadurch Fehlmessungen auftreten. Differenzdruckmethode (lntegraltest) Diese Methode beruht auch auf der Messung des Druckabfalls. Dabei wird der Druckabfall gegen einen dichten Vergleichsbehälter gemessen, der zu Beginn der Meßzeit unter gleichem Druck steht. Da auch bei hohem Fülldruck der Anlage eine kleine Druckänderung von ca. 10- 2 mbar mit einem Differenzdruckmanometer aufgenommen werden kann, bleibt die Meßzeit kurz. Testgasverfahren (Lokalisierung) Meßgeräte, die sofort auf ein bestimmtes Gas ansprechen, werden in Verbindung mit diesem Gas zur Lecksuche, das heißt zur Lokalisierung der Leckstelle, eingesetzt. Dazu wird der Prüfling mit diesem spezifischen Gas mit Überdruck gefüllt. Mit dem Meßgerät, das laufend Luft/ Gas ansaugt, werden die vermuteten Leckstellen abgeschnüffelt. Tritt Gas aus, spricht das Gerät an. Das bekannteste System ist der Halogen-Schnüffler, der auf halogenhaltige Gase, z.B. FCKW (Frigen/ Freon 12} anspricht und deshalb für die allgemeine Lecksuche nicht mehr eingesetzt wird. Ein anderes Gerät arbeitet mit SF 6, es wird besonders bei der Lecksuche an elektrischen Leistungsschaltern benutzt, da diese mit dem Gas gefüllt werden. Schnüffler, die mit Meßsystemen für verschiedene Gase ausgerüstet sind, nutzen die unterschiedliche Wärmeleitung der Testgase z.B. Neon oder Wasserstoff (Faktor 2 bzw. 7 gegenüber Luft} aus. Auch der Helium-Leckdetektor kann mit einer Vorrichtung zum Abschnüffeln der mit Helium gefüllten Prüfobjekte ausgerüstet werden. 9 <?page no="22"?> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Kurve 1 = Dructeansties bei vor1mndenem Leck 2 Druckanstieg durch Gasabgabe 3 = Druckanstieg durch beide Effekte Bild 2.3: Charakteristischer Druckanstieg in einem evakuierten abgeschlossenen Behälter 2.3.2. Vakuumverfahren Druckanstiegsmethode (lntegraltest) Dieses Verfahren entspricht der Druckabfallmethode. Es wird fast immer bei der Prüfung von Vakuumanlagen und großen Behältern angewendet, denn bei dem Volumen der Prüflinge kann kein anderer lntegraltest eingesetzt werden. Der Druckanstieg wird über die Zeit gemessen, nachdem der evakuierte Prüfling abgesperrt wurde. Die Berechnung der Leckrate erfolgt nach der Formel 6. Diese Prüfung hat aber den großen Nachteil, daß der Druckanstieg im Prüfling nicht nur durch einströmende Luft/ Gas sondern auch durch Gasabgabe von den Wänden, aus Dichtungsmitteln, anderen Materialien, besonders Flüssigkeiten verursacht wird. In Bild 2.3 sind die charakteristischen Druckanstiegs-Kurven, bei Lecks, Gasabgabe und beiden Effekten gezeichnet. Eine abgewandelte Prüfvorrichtung zur Druckanstiegs Methode wird für kleine 10 <?page no="23"?> abgeschlossene mit Gasen gefüllte Bauelemente angeboten. Dabei wird das Bauelement als Prüfobjekt in eine Kammer gebracht, die, evakuiert und nach Erreichen eines vorgegebenen Druckes verschlossen wird. Der Druck in der Kammer wird gemessen. Strömt Gas aus dem Objekt verändert sich die Druckanstiegskurve. Nach Angaben des Anbieters beträgt die kleinste noch meßbare Leckrate dieses Gerätes 1 *1 Q-3 mbar*l/ s. Differenzdruckmethode (lntegraltest) Auch diese Methode entspricht dem Prüfverfahren mit Überdruck. Nur wird das Prüfobjekt und der Vergleichsbehälter evakuiert und der Druckanstieg im Objekt gegen den gleichbleibenden Druck im Referenzvolumen gemessen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß nur soweit evakuiert werden braucht, bis die Gasabgabe einsetzt. Temperaturänderungen stören bei niedrigen Drücken nicht. Testgasverfahren mit Vakuummetern (Lokalisierung) Eine in der Literatur über Vakuumtechnik oft erwähnte, aber in der Praxis kaum noch eingesetzte Methode ist die Lecksuche mit gasartabhängigen Vakuummetern. Das sind im Fein- und Hochvakuumbereich benutzten Meßgeräte, in denen der Druck über die Wärmeleitung der Gase oder die Ionisation der Gasteilchen ermittelt wird. Durch Änderung des durch ein Leck einströmenden Gases, z.B. Wasserstoff anstelle von Luft, verändert sich die Druckanzeige bei gleichem absoluten Druck. Durch die oft nur sehr kleine Veränderung der Anzeige beim Wechsel des einströmenden Gases, wird diese Methode nur an Hoch- oder Ultrahochvakuumanlagen eingesetzt. Testgasverfahren mit gasspezifischen Meßgeräten (lntegraltest und Lokalisierung) Die Dichtheitsprüfung und Lecksuche mittels Meßgeräten, die nur auf ein bestimmtes Gas ansprechen, ist zum Standardverfahren geworden. Beim Einsatz in Verbindung mit Vakuumverfahren ist diese Methode das genaueste und empfindlichste Meßverfahren. Das bekannteste Gerät dieser Art ist der Halogen-Lecksucher. Die Meßsysteme dieses und des Schnüffel-Gerätes sind gleich. Beim Vakuumverfahren wird der Meßfühler in die Leitung vom Prüfobjekt zur Pumpe eingesetzt. Benutzt wird der Halogen-Lecksucher aber kaum noch, denn die wirkungsvollsten Testgase sind umweltschädigend, die Größe der Leckrate kann nur abgeschätzt werden und die Handhabung erfordert viel Erfahrung. Mit der Erfindung des Massenspektrometers war für die Lecksuche und Dichtheitsprüfung das Grundgerät zur Entwicklung von Leckdetektoren für verschiedene Testgase geschaffen. Da das Massenspektrometer nur im Hochvakuum (p kleiner 1 Q-4 mbar) arbeitet, wurden komplette Pumpstände mit einem, auf ein Testgas eingestelltes Meßsystem zur Serienreife gebracht. Inzwischen ist der Helium-Leckdetektor zum Standardgerät für Dichtheitsprüfungen und Lecksuche geworden. 11 <?page no="24"?> Tabelle 2.2: Empfindlichkeit in mbar*1/ s der verschiedenen Methoden zur Dichtheitsprüfung bei 1 bar Druckdifferenz zur Lecksuche (lokalisieren der Leckstelle) und zum lntegraltest (Prüfen der Dichtheit, gesamt) Verfahren E11pfindlichk. lokaliintegral 11bar*l/ s sieren Oberdruck■ethoden ----------------- Abdrücken unter Wasser 10-3 + Abpinseln mit Seifenlauge 10-3 + Druckstandprobe 10-l + Differenzdruckmethode 10-3 + Halogen-Schnüffler 10-5 + Wär■eleitungs-Schnüffler 10-4 + Helium-Schnüffler 10-6 + Heliua-Hüllentest 10-8 + Vakuumaethoden -------------- Druckanstiegsaetbode 10-3 + Differenzdruckmethode 10-5 + Halogen-Lecksucher 10-5 + Helium-Leckdetektor 10-9 + + Helium-Teilstro■verfahren 10-8 + + Heliua-Hüllentest 10-10 + 2.3.3. Verglelch der verschiedenen Verfahren Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl der Prüfmethode ist die Empfindlichkeit der einzelnen Verfahren. Damit wird die kleinste noch meß- und erkennbare Leckrate angegeben. Nun beziehen sich die Angaben der Hersteller der Meßgeräte zum größten Teil auf den Einsatz unter saubersten Laborbedingungen. Für die Praxis muß im allgemeinen mit einer um eine Zehnerpotenz niedrigeren Empfindlichkeit gerechnet werden. Bei den Dichtheitsprüfungen (lntegraltests) nach der Überdruckmethode sind das Sammel-Volumen für das Testgas und die Standzeit für die kleinste noch erfassbare Leckrate ausschlaggebend. In der Tabelle 2.2 sind die Verfahren 12 <?page no="25"?> aufgeführt für die von verschiedenen Herstellern die dazu notwendigen Meßgeräte noch angeboten werden. Daraus ist zu ersehen, das der Helium-Leckdetektor bei allen Anwendungsmöglichkeiten die höchste Empfindlichkeit besitzt. 13 <?page no="26"?> JI. DIE GERÄTE 3. Der Helium-Leckdetektor Aus den kurzen Ausführungen in Abschnitt 2.3 zu den verschiedenen Verfahren der Dichtheitsprüfung und Lecksuche geht hervor, daß die Prüfmethoden mit Testgasen den übrigen in der Empfindlichkeit überlegen sind. Es soll nur das wichtigste Gerät, der Helium-Leckdetektor, erklärt und behandelt werden. Zuerst werden die Bauelemente, der Aufbau und die Funktion des Gerätes und anschließend die Prüfverfahren und Einsatzmöglichkeiten beschrieben. Der Helium-Leckdetektor ist kein einfaches Meßgerät, sondern besteht aus verschiedenen unabhängigen, aber aufeinander abgestimmten Elementen: Dem Meßsystem zur Erfassung des Heliums im Gasgemisch, dem Vakuumpumpstand zur Erzeugung des Betriebsvakuums für das Meßsystem und zum Transport des Testgases aus dem Prüfling zur Meßstelle und der Bedieneinheit mit den Anzeigegeräten und der elektrischen Versorgung für die Meßgeräte und Pumpen. Die Leckrate wird durch den Druck des Testgases mal dem Saugvermögen für dieses Gas an der Meßstelle bestimmt. Damit wird bei gleichem Meßsystem die kleinste meßbare Leckrate (die Empfindlichkeit "E") durch das Saugvermögen "S" beeinflußt. Je kleiner "S" ist, desto höher wird "E". Das Saugvermögen bestimmt aber auch die Ansprechzeit "t" vom Beaufschlagen des Lecks mit dem Testgas bis zur Anzeige am Gerät. Je größer das Saugvermögen "S" ist, desto kürzer wird die Ansprechzeit ''t". Für 60 % des Vollausschlages gilt: Volumen des Prüflings durch Saugvermögen des Detektors. Im Hinblick auf die Größe der noch meßbaren Leckrate sollte das Saugvermögen möglichst klein, im Hinblick auf die Ansprechzeit aber möglichst groß sein. Es gilt nun zwischen diesen sich widersprechenden Idealwerten das optimale Gerät für den speziellen Einsatz des Leckdetektors zu bestimmen. Dabei sollen die folgenden Ausführungen helfen. 3.1 Funktion des Helium-Leckdetektors Zur Beschreibung der Funktion eines Helium-Leckdetektors ist ein Blick auf die Geschichte der neueren Vakuum-Technik nützlich. Wie schon im vorigen Kapitel erwähnt, ist der Helium-Leckdetektor im Bereich dieser Technik entwickelt worden und ist heute das Standardgerät für Dichtheitsprüfungen und für die Lecksuche. Ende des vorigen Jahrhunderts begann, zunächst nur im Laboratorium, die Va- 14 <?page no="27"?> kuumtechnik zur Herstellung von z.B. Röntgenröhren, Kohlenfadenlampen und auch allgemein in der Forschung eine Rolle zu spielen. Im weiteren Verlauf wurden immer mehr Gebiete für den Einsatz dieser Technik erschlossen und dabei auch immer niedrigere Drücke gefordert. Um ein bessere Vakuum zu erreichen, war es notwendig, dichtere Bauelemente und Anlagen einzusetzen. Gleichzeitig kamen aus den Forschungsstellen auch bessere Pumpen und neue Meßsysteme zur Druckmessung zum praktischen Einsatz, darunter das Massenspektrometer. Bis zum Anfang der 40er Jahre erfolgten die Dichtheitsprüfungen und Lecksuchen zum Teil nach den im Abschnitt 2.3 beschriebenen und anderen, heute nicht mehr gebräuchlichen Verfahren. Im Jahre 1942 wurde, soweit bekannt, zum ersten Mal ein Massenspektrometer zur Lecksuche eingesetzt. Dieses Meßgerät zur Bestimmung der verschiedenen Gase in einem Gasgemisch ist auch heute noch das Herzstück des Helium- Leckdetektors. 3.1.1. Das Massenspektrometer Das Massenspektrometer kann nur im Hochvakuum (Druck kleiner 1o- 4 mbar) den Anteil (Partialdruck) der einzelnen Gase eines Gasgemisches bestimmen. Dazu werden die Gasteilchen nach ihren Massen getrennt, nacheinander erfaßt und die Menge gemessen. Das Prinzip des Trennsystems (der Meßzelle) ist in Bild 3.1 an Hand eines der ersten Ausführungen gezeigt. Die im Meßsystem befindlichen Gasteilchen werden in der Ionenquelle durch Beschuß mit Elektronen ionisiert. Eine Beschleunigungs- und Fokussierungseinrichtung treibt die Ionen in die Meßstrecke. Hier werden durch magnetische und/ oder elektrische Felder oder durch Bremssysteme die Ionen nach ihrer Masse getrennt. Nur die Ionen einer bestimmten Masse erreichen durch eine Blende den Auffänger (Kollektor) und geben an ihn ihre Ladung ab. Dieser Ionenstrom ist ein Maß für die Anzahl der Gasteilchen einer Masse und damit auch für den Druck dieses Gases im Gasgemisch. Das Verfahren funktioniert aber nur, wenn die Gasteilchen sich auf dem Weg von der Ionenquelle zum Auffänger nicht gegenseitig behindern. Das ist nur dann gegeben, wenn die "mittlere freie Weglänge" der Gasteilchen weit größer als die Gefäßdimension ist. Dies ist von der Anzahl der Teilchen im Volumen (der Teilchendichte) und damit vom Druck abhängig. Die "freie Weglänge" ist für die verschiedenen Gase unterschiedlich und auch temperaturabhängig. Weil nun auch noch die Gefäßdimension eine Rolle spielt, wird in der Vakuumphysik der Wert für die einzelnen Gase bei 20° C als Produkt aus Weg mal Druck angegeben: 1 * p = spezifischer Wert eines Gases in Meter mal mbar. 15 <?page no="28"?> A Ka = Kathode Ionenquelle A = Anode " B = Beschleunigungseinrichtung F = Fokussierungseinrichtung M = Magnet für Ablenkung BI = Blende Ko = Kollektor/ Auffänger Formel zur Berechnung der Ablenkung r = 1/ 8* ✓ (2*m*U/ e) cm r = Krümmungsradius der Ablenkung incm 8 = Magnetische Flußdichte in Gauß m = Masse des Ions in g U = Beschleunigungsspannung in Volt e = Ladung des Ions in Coulomb Bild 3.1: Schema eines Massenspektrometers/ Trennsystem (Champeix) Dazu einige Beispiele der Größe von 1 * p in: m * mbar, für: Luft 6,7*10"5, Helium He 17,5*10-5 Stickstoff N 2 • 5,9*10-5, Wasserstoff H 2 11,5*10-5 Argon Ar 6,4*10-5, Wasserdampf H 2 0 6,0*10"5 Damit die mittlere freie Weglänge gleich der Gefäßdimension von 5 cm ist, muß der Druck für Luft 1,2*1 Q-3 und für Helium 3,5*1 Q-3 mbar betragen. Damit das Trennsystem aber sicher arbeitet, sollte der Druck um den Faktor 10 niedriger liegen. In der Vakuumtechnik werden die gebauten und eingesetzten Massenspektrometer auch als "Restgas-Analysatoren" oder "Partialdruck Vakuummeter'' bezeichnet. Die bekanntesten sind: - Das magnetische Ablenksystem ist in Bild 3.1 schematisch dargestellt und die Arbeitsweise erläutert. - Das Quadrupol wird heute von den meisten Herstellern der Massenspektrometer für die Vakuumtechnik eingesetzt. Bei diesem Prinzip erfolgt die Tren- 16 <?page no="29"?> nung der Massen in elektrischen Feldern im Bereich von 4 Stäben. Dieses System wird auch als "Massenfilter'' bezeichnet. Beide Geräte werden in Helium- Leckdetektoren eingesetzt. - Das Hochfrequenz-Massenspektrometer ist ein Trennsystem nach der Arbeitsweise eines Linearbeschleunigers. Die Massentrennung erfolgt durch ein Bremssystem vor dem Auffänger. Es arbeitet auf rein elektrischer Basis. - Das Omegatron ist ein kleines Massenspektrometer, besonders zum Messen von Partialdrücken im Ultrahochvakuum. Die Massentrennung erfolgt in einem Magnetfeld in Verbindung mit einem Hochfrequenzfeld, ähnlich einem Zyklotron. Für die Lecksucher wurde und wird es nicht benutzt. - Das Laufzeit-Massenspektrometer ist ein Gerät für einen großen Massenbereich. Die Trennung erfolgt durch die von der Masse abhängigen unterschiedlichen Laufzeiten der ionisierten und beschleunigten Gasteilchen. Weiter gibt es für chemische Untersuchungen und Analysen noch Massenspektrometer für sehr große Massenbereiche, deren Trennsysteme für den Einsatz in der Vakuumtechnik zu aufwendig sind. Technische Angaben und Funktionsbeschreibungen über die verschiedenen Systeme sind in den Fachbüchern über Vakuumphysik und -technik und auch in den Prospekten und Unterlagen der Hersteller enthalten. Für das Arbeiten mit dem Helium-Leckdetektor ist die Kenntnis über die genauen physikalischen Vorgänge im Trennsystem und die Berechnungen zum Bau eines Massenspektrometers nicht wichtig. Die Beurteilung der Güte eines Leckdetektors ist nicht nur vom Meßsystem, sondern auch von der Vakuumeinrichtung, der Bedienbarkeit und der Betriebssicherheit abhängig. 3.1.2. Massenspektrometer in Helium-Leckdetektoren Aus den verschiedenen Systemen zur Trennung der Massen und damit zur Bestimmung des Gases im Hochvakuum, wird von den meisten Herstellern von Leckdetektoren die Ausführung mit magnetischer Ablenkung eingesetzt. Im laufe der Entwicklung ist das Massenspektrometer in unterschiedlicher Art ausgebaut worden, doch immer mit dem gleichen Ziel, die Empfindlichkeit und Betriebssicherheit zu erhöhen. In Bild 3.2 ist das Schema eines 180° Trennsystems und ein damit aufgenommenes Spektrum gezeigt. Anstelle der 180° werden auch Geräte mit 90° und 60° Ablenkung gebaut. Um mit diesem System ein Spektrum aufzunehmen, wird die Beschleunigungsspannung verändert. Da ein Leckdetektor meistens nur für ein Testgas ausgelegt ist, kann auf die Einrichtung zur Spannungsänderung verzichtet werden, dafür wird die Ionenquelle so ausgebaut, daß möglichst alle im Ionisierungsraum befindlichen Gasteilchen ionisiert werden. Weiter wird die Trenneinrichtung durch Nachschalten eines weiteren magnetischen oder elektrischen Feldes verbessert, damit ausschließlich die Teilchen des Testgases den Auffänger erreichen. 17 <?page no="30"?> Maon•tl•ld s•nkr•cht zur Zeichenebene Trennsyste■ eines 180° Massenspektro■eters ■it ■agnetischer Ablenkung. Ausschlag am Auftänger t M,4 12 13 1, 15 16 17 18 Masse 4 = Beliu ■: A„ M• 20 N 2 •CO' / M ,29 / 20 28 32 Masse 40 = Argon ,o 44 46 Bild 3.2: Massenspektrum, aufgenommen mit obigem System durch Änderung der Beschleunigungsspannung 18 <?page no="31"?> 3.1.3. Die Vakuumeinrichtung Die Vakuumeinrichtung hat die Aufgabe, das Betriebs-Vakuum für das Massenspektrometer zu erzeugen und das zu untersuchende Gasgemisch aus dem Prüfling ins Meßsystem zu transportieren. Hier wird auch der Gasdurchfluß zur Bestimmung der Leckrate festgelegt. Aus dem durch das Massenspektrometer ermittelten Helium-Partialdruck "PHe" und dem Saugvermögen für Helium "SHe" an der Meßstelle errechnet sich die Leckrate "qL": qL = PHe * SHe mbar*l/ s (7) Das Saugvermögen an der Meßstelle sollte über den gesamten Meßbereich konstant sein, damit die Leckrate sich nur durch den Helium-Druck und nicht auch noch durch Schwankungen des Saugvermögens verändert. Wenn nach dem Vakuumverfahren geprüft wird, muß der Ansaugdruck am Gaseinlaß des Leckdetektors niedriger als der im Prüfobjekt sein. Zur Erzeugung des Hochvakuums für den Betrieb des Massenspektrometers ist immer ein Pumpsatz, bestehend aus Feinvakuum- und Hochvakuumpumpe mit den notwendigen Armaturen und Meßgeräten für den Totaldruck erforderlich. In Bild 3.3 ist der grundsätzliche Aufbau der Vakuumanlage des Helium-Leckdetektors als Schemaskizze gezeichnet. Zum Schutz des Massenspektrometers, besonders der Glühkathode, muß eine Sicherheitsabschaltung vorhanden sein, die bei Überschreiten des zulässigen Totaldruckes anspricht und auch das Ventil am Gaseinlaß schließt, damit die Hochvakuumpumpe nicht überlastet wird. Um die Handhabung zu vereinfachen und betriebssicher zu machen, sollten Pumpen- und Ventilsteuerung automatisch ablaufen. Zum Schutz des Trennsystems vor Verschmutzung durch kondensierende Dämpfe aus dem Prüfobjekt oder den Vakuumpumpen sollte eine Dampffalle vorgeschaltet werden, und das Meßsystem durch ein Ventil abschließbar sein. Wird das Trennsystem durch Kondensat, besonders Öle, verschmutzt, läßt die Empfindlichkeit nach, und das Meßergebnis wird verfälscht. Aus diesen Gründen ist auch die Qualität der Vakuumanlage für die Güte des Leckdetektors sehr wichtig. Strömungsarten Bei der Dichtheitsprüfung und der Lecksuche spielen die im Vakuum auftretenden Strömungen eine wichtige Rolle. Im Fein- und Grobvakuumbereich treten die aus der allgemeinen Strömungslehre bekannten Arten laminare und turbulente Strömung auf. Eine nur im Hochvakuum auftretende Art ist die "Molekularströmung" Diese Art des Gastransportes tritt ein, wenn die Gasteilchen, Moleküle und Atome, sich innerhalb eines Gefäßes nicht mehr gegenseitig behindern. 19 <?page no="32"?> 1Feinvakuu■pu■pe CVorpullJ)e) 2 Hochvakuumpu■pe 3 Dampffalle (Tiefkühl falle) 5 4 Massenspektrometer 5 HV-Vakuu■meter 6 FV-Vakuua■eter 7 Sicherheitsventil 8 Einlaßventil 9 Absperrventil für Pu11Pen 10 Absperrventil für Spektrometer 11 Anschluß für Prüfling Bild 3.3: Schema eines Helium-Leckdetektors nach dem Hauptstromprinzip Der Strömungswiderstand in Leitungen ist bei den viskosen Strömungen vom Druck abhängig, bei den reinen "Molekularströmungen" ist der Widerstand druckabhängig und wird nur durch die Geometrie der Leitungen oder des Bauteils bestimmt. Dies ist besonders bei der Auslegung von Rohrleitungen zu beachten. Während bei den viskosen Strömungen der Gastransport vom höheren zum niedrigeren Druck erfolgt, wird der Transport bei der Molekularströmung durch die unterschiedliche Teilchendichte in verbundenen Behältern verursacht. Einige Angaben zu den im Vakuum auftretenden Strömungen. Turbulente Strömung ist in der Vakuumtechnik sehr selten und dann auch nur im Grobvakuumbereich oder wird durch Störungen der laminaren Strömung verursacht. Laminare Strömung herrscht fast immer im Feinvakuumbereich. Sie ist vom Druck und dem Durchmesser der Rohrleitung abhängig. Als Grenzwert zum Übergang in die Molekularströmung" gilt: Druck mal Durchmesser größer 0.66 mbar * cm p * d größer 6,6*10-1 mbar*cm = (0,6 Pa*m) Dieser Übergang erfolgt nicht plötzlich, im Druckbereich zum Hochvakuum tritt eine Mischströmung auf, die 20 <?page no="33"?> la ■inare Ströaung Länge der Pfeile zeigt Geschwindigkeit der Moleküle. lnudsen-Strömu Weg eines Moleküls in eine ■ Rohr. aolekulare Sröaung Weg eines Moleküls in eine■ Rohr. Bild3.4: Symbolische Darstellung der Strömungsarten in den Vakumbereich Knudsenströmung. Der Bereich umfaßt ca. 1,5 Zehnerpotenzen. Dann folgt bei dem Grenzwert von: p * d kleiner 2,0*1 o- 2 mbar*cm = (0,02 Pa*m) die reine "Molekularströmung". Dazu noch einige Angaben und Erläuterungen. Die freie Weglänge, die diese "Strömung" verursacht, tritt nicht bei allen Gasen mit dem gleichen Druck auf. Deshalb wurde die Kennzahl (/ * p in m*mbar) der einzelnen Gase auch durch den freien Weg "I" bei einem bestimmten Druck festgelegt. Beim Druck von 1 mbar und 20 °c beträgt die Kennzahl für Stickstoff 5,9*1 Q-5 m; Sauerstoff 6,5*1 Q-5 m; Luft 6,3*1 Q-5 m; Helium 17,5*1 Q-5 m und 1,75 m = 175 cm bei 1 Q-4 mbar. Auf Bild 3.4 sind symbolisch diese Strömungsarten dargestellt. Im Gebiet der "Molekularströmung" bewegen sich die Gasteilchen nicht alle in 21 <?page no="34"?> eine Richtung. Da sie sich nicht untereinander berühren und dadurch behindern, stoßen sie nur an die Behälterwand und werden von dort in verschiedene Richtungen abgestoßen. Die Gasteilchen der Luft bewegen sich dabei mit einer mittleren Geschwindigkeit von 464 und die Heliumatome mit 1245 m/ s. Unter diesen Verhältnissen erfolgt auch kein Wärmetransport. Wird ein Behälter durch eine Hochvakuumumpe im Bereich der Molekularströmung evakuiert, bildet sich keine viskose Strömung und auch keine Vorzugsrichtung der sich bewegenden Gasteilchen aus. Die durch Zufall auf die Ansaugöffnung treffenen Teilchen werden durch den Treibdampf der Diffusions-, die Schaufeln der Turbomolekularpumpen zum höheren Druckbereich transportiert oder durch gasbindende Pumpen festgehalten. Mit der Abnahme der Teilchendichte fällt auch der Druck. In diesem Druckbereich, in dem sich die Teilchen nicht mehr berühren, verhält sich jedes Gas so, als wäre es allein im Raum. Dadurch verteilt sich durch ein Leck einströmendes Gas sofort im ganzen Behälter. Im Feinvakuumbereich erfolgt die Durchmischung nach den Gesetzen der Diffusion. Das einströmende Gas kann aber auch durch eine starke Strömung mitgerissen werden, ohne sich im ganzen Behälter auszubreiten. Die Kenntnis dieser Vorgänge ist wichtig zur Erklärung der verschiedenen Prinzipien, nach denen die Leckdetektoren aufgebaut sind. Auch die Auspumpzeiten von Behältern werden durch die verschiedenen Strömungsarten beeinflußt. Die wichtigsten Bauelemente der in einem Leckdetektor eingesetzten Vakuumanlage sollen kurz erklärt werden. Die Vorpumpe: Das erste Element ist die Vorpumpe. Sie verdichtet das geförderte Gas von ca. 0,01 mbar auf Atmosphärendruck. Eingesetzt werden ölgedichtete zweistufige Drehschieberpumpen mit einem Saugvermögen von 1 bis 2 m 3 / h und einem Endvakuum von kleiner 10-3 mbar. Bild 3.5 zeigt den Schnitt durch eine ölüberlagerte Drehschieberpumpe mit Gasballast-Einrichtung und eine für diese Pumpen typische Saugvermögenskurve. Es ist günstig, wenn die Pumpe mit einer Gasballast-Einrichtung (GB) versehen ist. Diese verhindert die Kondensation von angesaugten Dämpfen in der Pumpe. Sollte sich trotzdem Kondensat gebildet haben, weil die Pumpe noch zu kalt war, als Dampf angesaugt wurde oder der Dampfanfall zu groß ist, kann die Pumpe durch den GB davon wieder gereinigt werden. Weiter ist die GB-Einrichtung notwendig, um das bei hohem Heliumanfall im Auspuffraum der Pumpe angesammelte Gas zu entfernen. Denn das im Auspuffraum befindliche Gas wird mit dem Dichtöl stoßweise auf die Saugseite transportiert; ist es Helium, gelangt es durch Rückdiffusion über die Hochvakuumpumpe ins Massenspektrometer und stört bei der Lecksuche. Der Betrieb mit Gasballast über 5 bis 10 min treibt das Helium aus der Pumpe. Auch hier sei wieder auf die Handbücher über Va~ kuumtechnik und auf die technischen Unterlagen der Hersteller hingewiesen, in denen die Arbeitsweise der ölüberlagerten Vakuumpumpen und der Gasballast- Einrichtung beschrieben werden. Für die Wartung der Pumpen ist es wichtig, die Bedienungsanweisung des Herstellers dieser Geräte genau zu beachten. 22 <?page no="35"?> Gasballast- Leitung Ölstandsglas Welle Rotor Bild 3.5a: Schnittbild einer Drehschieberpumpe mit Gasballasteinrichtung 1 ,o·~__ ---.-_-_~_~~- ---~----~-~--~-----~--~-~'--~--~-~-~-~---~ .... -_-_,_~ .... ~ ... ~ ... -_-_, __-_~_,__-_._r_; -_-_~ ... --~...-_~ ... - .... E -- - -- ---· --- .__ - ·--· -- - ·-- - "' - __: _ _: : = .. ---: : ·7-~ - .; ~ _--: · z_ __ 1--+--l-+-H,/ - - - · (·- 1- -\-,1"~-,---1--+- ---- 1------·- ·-- - ·- / - - -~ / ---1 t----+--+--+--1+--l--+--HH--+-1f-++l! j V lO ,~o..,.,~~~e"-! : o"....___.__e"o! ,--,-- 1 ...._ .... ,..~~,~0-,-,--'---'-~,.~,0"' 0 ,.......__._._"~0.,...' __.__... ........ ~,o'"'•-'---'-'-"-',o, AnMugdruck p l mb•r 1 Bild 3.5b: Saugvermögenskurven kleiner Drehschieberpumpen mit ca. 1,5 m 3 / h Saugvermögen Kurven: A = einstufige; B = zweistufige Pumpen : - - - = mit; - = ohne Gasballast Damit die Vorpumpe den für den Betrieb der Hochvakuumpumpe notwendigen Druck erreicht, muß die vorgeschriebene Ölmenge in der Pumpe sein und sich kein Kondensat gebildet haben (Wasser, Reinigungsmittel aus dem Prüfobjekt). 23 <?page no="36"?> Manche Geräte sind an der Auspuffseite mit einem Ölnebelabscheider ausgerüstet. Dieser hält den mit dem gefördertem Gas mitgerissenen Öldampf zurück, damit er nicht in die Atmosphäre gelangt. Eine andere Einrichtung vieler dieser Pumpen ist das Rückschlagventil im Saugstutzen, es verhindert bei Stillstand der Pumpe das Belüften der Hochvakuumseite durch die Pumpe. Vom Ansaugstutzen der Verpumpe führt die Vorvakuumleitung zum Vorvakuumstutzen der Hochvakuumpumpe. Die Hochvakuumpumpe: Zum Evakuieren von Behälter/ Anlagen auf Drücke kleiner 10-3 mbar (Hochvakuumbereich) werden gasbindende und gasfördernde Pumpen eingesetzt. Die gasbindenden wie Kryo-, Adsorptions- und Getterpumpen arbeiten besonders im Ultrahochvakuumbereich, in Leckdetektoren werden sie nicht eingebaut. Die gasfördernden Pumpen sind die Diffusionspumpen mit Öl oder Quecksilber als Treibmittel und die Molekularpumpen. Während die Diffusionspumpe schon einige Jahrzehnte im technischen Einsatz ist, wurde die Molekularpumpe erst nach der Erfindung der Turbomolekularpumpe zur technischen Serienreife entwickelt. Sie wird heute mit Saugvermögen von 50 bis 5000 1/ s angeboten und ist für diese Größen die Standardpumpe in der Hochvakuumtechnik geworden. Beide Pumpentypen sind kinetische Pumpen, während die Verpumpe eine volumetrische ist. Bei den kinetischen Pumpen werden die Gasteilchen durch Stöße von mechanischen Einrichtungen oder von Dampfteilchen des Treibmittels im Bereich der Molekularströmung aus dem Hochvakuum ins Feinvakuum getrieben, dabei wird der Druck um einige Zehnerpotenzen erhöht. Da die Öldiffusionspumpe die ältere ist, noch viele in vorhandenen Leckdetektoren arbeiten und auch einige Firmen sie noch in ihre Geräte einbauen. soll diese Pumpenart zuerst behandelt werden. Die Öldiffusionspumpe: Im Bild 3.6 ist der Schnitt einer mehrstufigen Öldiffusionspumpe gezeigt und die Arbeitsweise erklärt. Damit das Treibmittel (Öl) bei Lufteinbruch nicht oxidiert oder zerstört wird, ist es wichtig, ein auch bei der Betriebstemperatur von ca. 300° C beständiges Mittel einzusetzen. Von den Herstellern werden dafür verschiedene Produkte angeboten. Nicht geeignet sind Silikonöle. Durch die Rückströmung besonders beim Anheizen und Abkühlen der Pumpe können Silikone in das Meßsystem geraten und die Glühkathode zerstören. Diese Treibmittelrückströmung, die Empfindlichkeit gegen Lufteinbrüche und die lange Anheiz- und Abkühlzeit sind die Nachteile der Öldiffusionspumpen. Störungen während des Betriebes einer Öldiffusionspumpe werden meistens durch eine zu geringe Treibmittelmenge verursacht. Dies macht sich durch Druckschwankungen im Hochvakuum bemerkbar. Wird die Pumpe nicht abgeschaltet, steigt der Druck auf den Vorvakuumdruck an. Nach einem Ausfall der 24 <?page no="37"?> 0 0 G -- DS KR PK s - - H --- 'VVV"V'VVVV\.. A, B, C, D = Düsen PK = Pumpenkörper KR = Kühlrohr FA= Ansaugflansch V= Vorvakuumstutzen H = Heizung S = Siederaum T = Treibmitteldampf DS = Dampfstrahl . G = Gasteilchen des abzupumpenden Gases Arbeitsweise Das im Siederaum befindliche Treibmittel wird durch die Heizung auf ca. 300° erhitzt. Dadurch entsteht im Düsensystem ein Dampfdruck zwischen 1 und 10 mbar. Der Dampf strömt mit Überschallgeschwindigkeit aus den Ringdüsen zur gekühlten Wand und kondensiert. Die durch den Ansaugflansch in den Dampfstrahl gelangenden Gasteilchen werden mitgerissen. Das Kondensat läuft zurück in den Siederaum, die Gasteilchen kommen in den nächsten Dampfstrahl und werden weiter verdichtet, bis sie nach der letzten Düsenstufe durch den Vorvakuumstutzen von der Vorpumpe bei ca. 0, 1 mbar abgesaugt werden. Bild 3.6: Schnittbild und Arbeitsweise einer Öldiffusionspumpe Diffusionspumpe ist eine gründliche Reinigung der gesamten Hochvakuumseite des Gerätes notwendig. Der Treibmittelverlust ist besonders hoch, wenn bei Ansaugdrücken über 1 mbar durch die Diffusionspumpe gepumpt wird, z.B. beim Evakuieren von einer Anschlußleitung an eine Vakuumanlage. Dabei wird der Dampf des Treibmittels durch das Gas mitgerissen. Fehler an der Heizung und Kühlung (Luftkühlung durch Ventilatoren) sind sehr selten. In den Betriebsanweisungen für die Pumpen werden bei fast allen Herstellern Hinweise zur Beseitigung von Störungen angegeben. 25 <?page no="38"?> 1-. 2 1 = Ansaugflansch 2 = Rotor 3 = Stator 3 4 4 = Heizung 5 =Vorvakuumstutzen 6 = Motor 7 = Elektrischer Anschluß 8 = Belüftungsanschluß 9 = Kühlwasseranschluß 5- . Arbeitsweise 6 1- Der Aufbau einer Turbomolekularpumpe entspricht dem einer Turbine. Die in den Bereich der ersten Schaufeln des Rotors fliegenden Gasteilchen werden durch die aus Rotor- und Statorschaufeln gebildeten Stufen vom Hochvakuuminden Vorvakuumraum gefördert. Dazu muß die Geschwindigkeit der Schaufeln des Rotors möglichst nahe an der mittleren Geschwindigkeit der Gasteilchen liegen. Deshalb die hohen Drehzahlen von 15 000 bis 90 000 upm je nach Nennweote der Pumpe. Die ersten Stufen bestimmen das Saugvermögen, die weiteren das Kompressionsvermögen der Pumpe. Aus dem Vorvakuumraum wird das Gas durch die Vorpumpe bei einem Druck von ca. 0, 1 mbar abgesaugt. Bild 3.7: Aufbau und Arbeitsweise einer Turbomolekularpumpe Wegen der angeführten Nachteile der zwar einfachen, billigen und unkomplizierten Öldiffusionspumpe wird heute fast nur noch die Turbomolekularpumpe, teilweise sogar in Sonderausführungen, eingesetzt. Genau wie die Diffusionspumpe erreicht auch sie das volle Saugvermögen erst wenn im Ansaugflansch Molekularströmung herrscht. 26 <?page no="39"?> In Bild 3.7 ist ein Schnitt gezeigt und die Arbeitsweise kurz beschrieben. Diese Pumpe arbeitet rein mechanisch ohne Flüssigkeit im Förderraum. Die zur Schmierung der. Lager notwendigen Mittel befinden sich im Vorvakuumraum. Dadurch ist eine Rückströmung von im Hochvakuum störenden Dämpfen vermieden. Lufteinbrüche schaden den kleinen in den Leckdetektoren eingesetzten Pumpen nicht. Die Betriebsbereitschaft ist nach einigen Minuten erreicht, sie wird von der Hochlaufzeit des Rotors auf die Betriebsdrehzahl von einigen 10000 upm bestimmt. Der Nachteil gegenüber der Öldiffusionspumpe ist der weit höhere Preis, bedingt durch die aufwendige Fertigung. Deshalb werden auch heute aus Preisgründen noch Heliu.m-Leckdetektoren mit Öldiffusionspumpen spezieller Bauart angeboten. Während das Saugvermögen bei den volumetrischen Pumpen (ölüberlagerten Drehschieberpumpen) unabhängig von der Gasart ist, verändert es sich bei den kinetischen Hochvakuumpumpen (Öldiffusions- und Molekularpumpen) mit dem Molekulargewicht des gepumpten Gases. In den technischen Unterlagen der Pumpen wird meistens das Saugvermögen für Luft oder Stickstoff angegeben. Bei den Öldiffusionspumpen ist das Saugvermögen für leichtere Gase höher, für Wasserstoff (H 2) etwa das doppelte von Luft. Umgekehrt verhalten sich die Saugvermögen einer Turbomolekularpumpe, hier verringert es sich für leichtere Gase gegenüber dem der Luft. Deshalb sind bei Helium-Leckdetektoren die Saugvermögen für Luft und Helium aufgeführt. Ebenfalls ist das Kompressionsverhältnis "K" von der molaren Masse des Gases abhängig. Damit wird das Verhältnis von Vorvakuum- "Pv" zum Hochvakuumdruck (Ansaugdruck) "PA" angegeben. K=PvlPA Die Saugvermögenskurve der Öldiffusionspumpen für Luft in Abhängigkeit vom Ansaugdruck verläuft wie die der Turbomolekularpumpe. Bild 3.8 zeigt die typischen Saugvermögenskurven für Luft, Argon, Helium und Wasserstoff in Abhängigkeit vom Ansaugdruck und Bild 3.9 die Kompressionskurven in Abhängigkeit vom Vorvakuumdruck einer kleinen Turbomolekularpumpe für diese Gase. Für Öldiffusionspumpen liegen keine Angaben vor. Für beide Pumpentypen gilt: je leichter das Gas, desto kleiner das Kompressionsverhältnis. Es verändert sich bei der Diffusionspumpe mit der Heizleistung, bei der Turbomolekularpumpe mit der Drehfrequenz und bei beiden mit der Stufenzahl. Das erreichbare Verhältnis ist von konstruktiven Einzelheiten abhängig. Für die Turbomolekularpumpen geben die Hersteller meistens die Werte für Stickstoff, Helium undWasserstoff an. Das Saugvermögen beider Pumpentypen hat bei dem Ansaugdruck von 1o- 3 mbar den max. Wert erreicht und bleibt zu niedrigeren Drücken hin konstant. 27 <?page no="40"?> Ansaugdruck in ■bar Saugvermögen für Luft 1, He 2, Ar 3, H2 4. Bild 3.8: Typisches Saugvermögen einer Turbomolekularpumpe in Abhängigkeit vom Ansaugdruck in % vom max. Wert von Luft für verschiedene Gase 10 10 10 10 . 1 ... i ... ~ ,... -+- : N, t\.: • 1 1 i ~ 1 i i ' ' - I· ••• J ... ; 1 1 . ! 1 i i 1 i ' 1 l 1 1 . 10 10 10 ... 1 Re f\ . , 1 ·r"' ~; Y ' H, 1 L- •.• - \ __ l_. --·•· 1 ' ! : Fl --· .. - - - --1i . •J _, ., 10 10-• 10 10 10 1b" Vorvakuumdruck p. (mbarJ 28 Bild3.9: Kompressionsverhältnis (k = Pv / PH) von Turbomolekularpumpen in Abhängigkeit vom Vorvakuumdruck "Pv" <?page no="41"?> Das Kompressionsvermögen der Turbomolekularpumpe in Abhängigkeit vom Vorvakuumdruck steigt im Bereich von einigen 0, 1 bis 0.01 mbar an und bleibt dann auf dem gleichen Wert. Bei den Öldiffusionspumpen wird die Vorvakuumbeständigkeit des Pumpentyps angegeben. Dies ist der Totaldruck in der Vorvakuumleitung bei dem das Gas in den Hochvakuumteil schlägt, die Pumpe arbeitet nicht mehr. Die Vorvakuumbeständigkeit ist aber von der Massenzahl des Gases abhängig, sie verhält sich ähnlich dem Kompressionsvermögen der Turbomolekularpumpen. Dadurch diffundieren die leichten Gase wie Helium und Wasserstoff schon bei niedrigem Partialdruck aus dem Gasgemisch vom Vorins Hochvakuum. Der Effekt dieser Pumpen wird für ein besonderes Arbeitsprinzip der Helium-Leckdetektoren, das Gegenstromprinzip, ausgenutzt. Wird der zulässige Vorvakuumdruck einer Diffusionspumpe überschritten, transportiert das zurückströmende Gas den Treibmitteldampf in den Hochvakuumraum und damit ins Trennsystem des Massenspektrometers. Danach muß der Hochvakuumteil gründlich gereinigt werden. Bei den Turbomolekularpumpen wird beim Überschreiten der Vorvakuumbeständigkeit der Antrieb überlastet und schaltet sich aus. Der HV-Teil wird nicht verschmutzt. Die Armaturen Die Ventile, Leitungen und Verbindungen im Leckdetektor müssen so dicht sein, daß auch bei hoher Heliumkonzentration in der Umgebung und bei höchster Empfindlichkeit keine Leckanzeige erfolgt. Dazu müssen die Dichtungen zwischen den Bauteilen mit einem Dichtmaterial ausgestattet sein, durch das Helium nicht eindringen kann (z.B. Metalldichtungen). Elastomere wie Gummi, Silikon und ähnliche Materialien sind nicht heliumdicht. Durch diese kann Helium in den Vakuumraum (zum niedrigen Partialdruck) diffundieren und es wird ein Leck vorgetäuscht. Eine andere Störung entsteht, wenn viel Helium über längere Zeit in den Detektor gelangt (Vollausschlag der Leckanzeige über 5 min), das Helium diffundiert von der Vakuumseite in die Elastomere. In beiden Fällen kann es Stunden dauern, bis das Gerät wieder heliumfrei und damit gebrauchsbereit ist. Falls eine Kühlfalle im Gerät vorhanden ist, muß sie leicht auszubauen sein. Die Reinigung von dem am Kühlmantel sitze11den Kondensat erfolgt am besten bei kalter Falle. Vor dem Einbau muß sie gründlich getrocknet werden. Die Bauteile der Vakuumseite sollten aus nicht oxydierendem Material wie Edelstahl oder Aluminium bestehen. Bedienungs-, Meß- und Steuereinrichtungen Wie fast überall in der Technik geht der Trend zur Einknopfbedienung. Nach dem Einschalten des Gerätes laufen die Pumpen an, ist der Betriebsdruck erreicht, schaltet sich das Massenspektrometer ein und es erscheint die Meldung "Betriebsbereit''. Mit dem Kommando "Prüfen" (Einknopf) läuft die Ventilsteuerung automatisch ab. Der vorher evakuierte Prüfling wird an den Detektor angeschlossen und die 29 <?page no="42"?> Lecksuche kann beginnen. Wird nach dem Kommando "Prüfen" der vorgeschriebene Wert einer überwachten Größe (z.B. der Einlaßdruck) nicht erreicht oder bei der Prüfung überschritten, soll das Einlaßventil schnellstens schließen. Da dieser Fehler sehr oft beim Anschluß des Prüflings auftritt, ist es vorteilhaft, wenn das Gerät zusätzlich mit einem handbetätigten Ventil ausgerüstet und ein Meßgerät für den Einlaßdruck vorhanden ist. Damit kann, nachdem das automatische Ventil geöffnet hat, das Gas aus dem Prüfling gereg.elt eingelassen werden. Für die Drucküberwachung im Massenspektrometer genügt eine "gut schlecht'' Anzeige, falls dieser Druck nicht auch der Einlaßdruck ist. Der Meßbereich für die Leckrate umfaßt immer einige Zehnerpotenzen, trotzdem muß die Anzeige in jeder Potenz auf eine Stelle nach dem Komma ablesbar sein, die Umschaltung des Exponenten sollte automatisch erfolgen. Die zur Justierung der Leckratenanzeige mittels Eichleck notwendigen Einstellvorrichtungen müssen gesichert werden, damit sie sich nicht während einer Prüfung verstellen können. 3.1.4. Das Testgas Als Testgas für Leckdetektoren mit Massenspektrometern als Meßsystem könnten alle Gase mit der im Meßbereich des Gerätes liegenden Masse eingesetzt werden. Um aber mit einem einfachen Massenspektrometer auszukommen, wird es nur für ein Gas mit möglichst niedriger Masse ausgelegt. Die Auswahl wird auch durch weitere Bedingungen stark eingeschränkt, denn das Gas muß ungefährlich, nicht giftig, unbrennbar und chemisch inert sein und darf sich nicht an andere Stoffen anlagern. Weiter darf es in der Luft nur in geringen Mengen vorhanden sein, auch bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (-196° C) nicht kondensieren, die Umwelt nicht belasten und nicht absorbiert werden. Diese Bedingungen kann nur ein Edelgas erfüllen, davon kämen in Frage: Masse 6 = 12c++ tH: Masse 4 = 4ue+ Masse 3 = 3ue+ Masse 2 = H2 c„ "___...,/ __ ~_". ___ _ 2 M/ e 30 Bild 3.10: Massenspektrum bei Lufteinlaß <?page no="43"?> Tabelle 3.1: Zusammensetzung der trockenen atmosphärischen Luft bei einem Druck von 1000 mbar und 20 °c Zusammensetzung trockener Luft. Bestandteil Stickstoff N2 Sauerstoff 02 Argon Ar Kohlendioxyd C02 Neon Ne Wasserstoff H2 Helium He Methan CH4 Krypton Kr Xenon Xe Distickstoffoxyd N20 Ammoniak NH3 Ozon 03 Wechselnde Mengen: Volumenantei 1 78,09 ~ 20,95 ~ 0,93 ~ 0,03 ~ 18,0 ppm 10,0 " 5,0 " 2,0 " 1, 1 " 0,09" 0,05" 0,026" 0,02" Wasserdampf 20°c, H20 2,3 ~ Kohlenmonoxyd CO 0,016 PP• Helium He mit Masse 4 Neon Ne mit Masse 20 Argon Ar mit Masse 40 Druck mbar 7,81*102 2,09*10 2 9,30*100 3,0*10-1 l ,8*10-2 1,0*10-2 5 ,0*10-3 2,0*lo-3 1,1*10- 3 9,0*lo-5 5,0*lo-5 2,6*10-5 2,0*10-5 Dichte kg/ a3 1,2505 1,4289 1, 7389 1,9786 0,8999 0,0899 0, 1785 0,7618 3,74 5,89 1,978 0,7714 2, 14 2,33*101 0,0173 l,6*10- 4 1,25 Von diesen 3 Edelgasen wurde das günstigste auf Grund der Erkennbarkeit auf dem Spektrum des Massenspektrometers und des Anteils in der atmosphärischen Luft ausgewählt. In Bild 3.2 ist das Spektrum der Massen 4 bis 46 und in Bild 3.10 der Massen 2 bis 6 aufgetragen. Die Tabelle 3.1 gibt die Zusammensetzung der trockenen atmosphärischen Luft an. Die Bilder der Spektren zeigen, daß von den Edelgasen nur Helium mit der Masse 4 ( 4 He) allein auf einer Masselinie liegt. 31 <?page no="44"?> Auf den Linien 40 für Argon und 20 für Neon finden sich noch andere Stoffe. Auf Linie 40 erscheinen Ar+ und Bruchstücke von Kohlenwasserstoff (C3H 4) aus Ölen der Vakuumpumpen und auf Linie 20 liegen Ne+, Ar++ und schweres Wasser. Der auf Linie 6 Bild 3.10 erscheinende Kohlenstoff 12C++ wie auch die Anzeige Ar++ auf Linie 20 entsprechend der halben Massen wird durch das Gesetz der Ablenkung verursacht. Die Formel für die Berechnung der Ablenkung ist auf Bild 3.1 angegeben. Bei sonst gleichen Größen wird die Ablenkung durch die Masse "m" und Ladung "e" aus der Ionisierung bestimmt. Die Ablenkung bei doppelter Ladung verhält sich genauso wie bei halber Masse und einfacher Ladung. Die Tabelle 3.1 zeigt den Anteil der verschiedenen Gase in der trokkenen atmosphärischen Luft. Aus dieser Aufstellung ist zu ersehen, daß der Anteil des Heliums in der Luft nur 5 ppm beträgt, von Neon dagegen 18 ppm und von Argon sogar 1 %. Aus den Spektren und der Zusammensetzung der Luft ergibt sich, daß Helium das geeigneteste Testgas für Dichtheitsprüfungen und für die Lecksuche mit Massenspektrometern ist. Beim Einsatz von Helium als Testgas ist als Nachteil die Gasdurchlässigkeit des Dichtungsmaterials zu beachten. Für gummielastische Stoffe (Perbunan, Neopren, VITON) beträgt die Durchlässigkeit bei 1 bar Druckdifferenz und 20 °C; 5 bis 20*1 o-a cm3 (NPT)/ s bei 1 cm Materialstärke und 1 cm2 Fläche. Für Silikongummi liegt die Durchlässigkeit bei 250 *10-8 cm3 (NPn/ s unter gleichen Bedingungen. So beträgt der Gasstrom auf Grund der Permeation durch einen Dichtring DN 100 mit 5 mm Stärke aus Viton: 1,6 bis 6,3 10-s und aus Silikon: 7,8 10·5 mbar*l/ s (Anhaltswerte). 3.2. Prinzipien der Grundgeräte Die Helium-Leckdetektoren werden in verschiedenen Ausführungen angeboten. Es gibt die einfachen transportablen Geräte, dann die Tischgeräte mit einer zusätzlichen Vakuumpumpe zum Evakuieren des Prüflings und die Anlagen zur Dichtheitsprüfung spezieller Bauteile im Zuge der Fertigung. Bild 3.11 zeigt das Schema eines der ersten Leckdetektoren ("Leckmeser''} mit eigenem Hochvakuumpumpsatz. Alle Ausführungen enthalten ein Grundgerät aus Massenspektrometer mit dem notwendigen Hochvakuum-Pumpsatz und der Meß- und Steuereinheit, wie schon die ersten auf Bild 3.11 gezeigten Geräte. Im Verlauf der fortschreitenden Entwicklung auf den Gebieten der Vakuum- und Steuerungstechnik wurden die Helium-Leckdetektoren ebenfalls verbessert und neue Arbeitsprinzipien eingeführt. War zu Beginn nur ein Massenspektrometer an eine Vakuumanlage angeschlossen, wurde daraus bald ein eigenständiges Gerät. Auf dieser Grundlage wurden im Laufe der Zeit die heute üblichen "Drei Prinzipien" und daraus folgend unterschiedliche Ausführungen entwickelt, die sich in der Art der Zuführung des Testgases in das Trennsystem des Massenspektrometers unterscheiden: 32 <?page no="45"?> Schema eines Lec)cmeascra nach der .MnS5cnspcktronrntcr-~lcthode. Llefcrer: Consolidatcd 1'! ngineerin11 Corp., Geno,rat Elcctric, Vacuum Electronic Eng., Lcybulcl. 1 = Musscnspektronwtcr; 2= llegulicrventil; 3 = Prüfling; 4 = Stahlflasche mit dem Testgas; 5=Absperrventll; (1 = Diffusionspumpe; 7=Vorpumpc dazu; 8 = Grobpumpe; 0 = Ionisation• · l\lauometcr; 10 = Ionen-Auffängcr; 11 = Innenbahn Im l(as•enspektrometer; 12= .~n•chlußgerilt zum Ionisatlon•manometcr; 13= Netzanschlußgcrllt für dus l\[assenspektrometer; 14 = Verstärker filr den Ionenlitron1. 3 8 Bild 3.11: Schema und Beschreibung eines der ersten Lecksucher nach der Massenspektrometermethode von 1942 das Hauptstromprinzip (in line f/ ow) das Gegenstromprinzip (contraflow) das Schleifenprinzip (closed loop) Diese Prinzipien betreffen nur die Ausführung des Leckdetektors und können alle für die verschiedenen in Abschnitt III beschriebenen Prüfverfahren eingesetzt werden. 3.2.1. Das Hauptstromprinzip Wie die Bezeichnung dieses Prinzips schon erkennen läßt, fließt der gesamte durch den Anschlußflansch angesaugte Gasstrom mit dem Testgasanteil durch Tiefkühlfalle - Trennsystem - Hochvakuumpumpe - Vorpumpe in die Atmosphäre. In Bild 3.12 ist der Aufbau eines solchen Gerätes schematisch dargestellt. Nach diesem Prinzip wurden ca. 20 Jahre alle Helium-Leckdetektoren konstruiert. Der Nachteil der Geräte ist die notwendige Tiefkühl-Falle, damit der zulässige Einlaßdruck, der nicht höher als der Betriebsdruck des Massenspektrometers sein darf, erreicht wird.· Der Vorteil ist das große Saugvermögen der Falle für Dämpfe, besonders für 33 <?page no="46"?> 1 Gaseinlaß 2 Tief1tühlfalle 3 Hochva1tuu■pu■pe (Diffusions- oder Molekularpuape) 4 Vorpu■pe 5. Massenspe1ttro■eter Bild 3.12: Schemaskizze eines Helium-Leckdetek1ors nach dem Hauptstromprinzip Wasserdampf von den Wänden des Prüfobjek1s. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Saugvermögen der Hochvakuumpumpe für Helium, dadurch wird eine kurze Ansprechzeit bei der Lecksuche nach dem Vakuumverfahren erreicht. Durch Drosselung der Pumpleistung kann auch die Empfindlichkeit noch gesteigert werden. Denn die minimale meßbare Leckrate "qLmin" ist abhängig von dem Helium-Partialdruck "PHe" und dem Saugvermögen für Helium "SHe" am Massenspek1rometer. qlmin = PHe * SHe mbar*l/ s (8) Es wurde, obwohl sich diese Art des Helium-Leckdetektors gut bewährt hat, nach einer Lösung gesucht, um ohne Tiefkühlfalle arbeiten zu können. 3.2.2. Das Gegenstromprinzip Um 1970 wurde von einer Firma ein kleiner Helium-Leckdetek1or angeboten, der keine Tiefkühlfalle benötigte (Varian "Porta-Test"). Dieser arbeitete als erstes Gerät nach dem "Gegenstromprinzip", das heute von vielen Herstellern eingesetzt wird. Dabei wird die Abhängigkeit des Kompressionsvermögens von der molekularen Masse des gepumpten Gases bei den kinetischen Hochvakuumpumpen (Diffusions- und Molekularpumpen) ausgenutzt. Der Einlaßflansch befindet sich bei diesen Geräten an der Vorvakuumleitung. Das Gas wird nur von der Vorpumpe angesaugt, die Menge ist durch das Saugvermögen dieser Pumpe gegeben. Wird von einem Gas, z.B. vom Testgas Helium, die Vorvakuumbeständigkeit der Hochvakuumpumpe für dieses Gas überschritten, diffundiert es durch diese Pumpe zurück in den Hochvakuumraum. d.h. im Leckdetek1or ins Trennsystem des Massenspektrometers. (Vorvakuumbeständigkeit und Kompressionsvermö- 34 <?page no="47"?> 1 Gaseinlaß 2 Bochvatuu■puape (Diffusions- oder Molekularpu■pe) 3 Vorpu■pe 4 Massenspektro■eter Bild 3.13: Schemaskizze eines Helium-Leckdetektors nach dem Gegenstromprinzip gen wurden in Abschnitt 3.1.3 behandelt). In Bild 3.13 ist das Schema dieses Prinzips gezeichnet. Die ersten Helium-Leckdetektoren nach dieser Art waren mit, Öldiffusionspumpen, die heutigen werden fast alle mit Turbomolekularpumpen ausgerüstet. Deshalb soll hier nur dieser Pumpentyp berücksichtigt werden. Der max. zulässige Einlaßdruck wird bei diesem Prinzip durch die Vorvakuumbeständigkeit für Luft der Hochvakuumpumpe bestimmt. Für Turbomolekularpumpen liegt dieser Druck bei 0,5 mbar, doch ist erst eine sichere Messung bei 0,02 mbar möglich, weil das Kompressionsverhältnis für Helium ab hier zu niedrigeren Drücken konstant bleibt. Die Leckrate wird durch den Heliumpartialdruck und das Saugvermögen der Vorpumpe bestimmt. Nun muß das Testgas vom Einlaß zur Druckmeßstelle (Trennsystem) durch die Hochvakuumpumpe diffundieren, dazu ist eine durch die Konstruktion der Pumpe gegebene Druckdifferenz, das Kompressionsvermögen "K", für das Testgas notwendig. Das Saugvermögen der Hochvakuumpumpe geht bei dem Gegenstromprinzip nicht in die Berechnung der Leckrate ein. Die Pumpe dient nur zur Erzeugung des Betriebsdruckes (kleiner 10-4 mbar) des Massenspektrometers und zum Trennen der schweren von den leichten Gase. Damit sind zur Bestimmung der Leckrate das Saugvermögen der Vorpumpe "Svp" und der um das Kompressionsverhältnis "K'' verringerte Heliumpartialdruck "PvHe" aus der Vorvakuumleitung (Prüfobjekt) notwendig. PHe = PvHJK mbar Damit wird die Leckrate: qL = Svp * PvHJK mbar*l/ s (9) (10) 35 <?page no="48"?> Durch den im Massenspektrometer gemessenen um den Faktor "K" kleineren Heliumdruck und das geringere Saugvermögen wird die Empfindlichkeit herabgesetzt. Um dies auszugleichen, wurden die Kompression für leichte Gase bei den für die Leckdetektoren bestimmten Pumpen verkleinert und der Meßbereich des Massenspektrometers zu niedrigen Drücken erweitert. Damit wurde der Nachteil gegenüber dem Hauptstromprinzip ausgeglichen. Zur Verkürzung der Ansprechzeit durch Vergrößerung des Saugvermögens dieses Detektors, wurde von einigen Herstellern eine zweite Hochvakuumpumpe eingebaut. Detektoren mit zwei Hochvakuumpumpen In diesem Aufbau, der auch nach dem Gegenstromprinzip arbeitet, dient eine Hochvakuumpumpe zum Ansaugen des Gases aus dem evakuierten Prüfling, die zweite Pumpe evakuiert das Spektrometer und hält die schweren Gase zurück, die leichten diffundieren im Gegenstrom zum Trennsystem. In Bild 3.14 ist der Aufbau eines solchen Gerätes schematisch dargestellt. Für die Bestimmung der Leckrate ist auch bei diesen Geräten nur das Saugvermögen der Vorpumpe maßgebend. Durch die Kompression des angesaugten Gases auf den Vorvakuumdruck steigt aber der Heliumpartialdruck, damit erreichen diese Geräte die Empfindlichkeit der Geräte nach dem Hauptstromprinzip. Doch ist der Aufwand zwei Hochvakuumpumpen in das Grundgerät einzusetzen, besonders bei Turbomolekularpumpen sehr groß. Deshalb wurden von einigen Firmen spezielle Pumpen entwickelt, die auf einer Achse zwei gegenläufig arbeitende Turboeinheiten enthalten. Der Vorvakuumanschluß befindet sich am Gehäuse zwischen den beiden Einheiten. Auf Bild 3.15 ist der Aufbau einer solchen Pumpe schematisch dargestellt. 36 1 Gaseinlaß 2 HochvakuU11PU11Pe zua Ansaugen 3 Hochvakuuapuape zua Trennen der Gase 4 Vorpuape 5 Massenspektroaeter Bild 3.14: Schemaskizze eines Helium- Leckdetektors nach dem Gegenstromprinzip mit 2 HV-Pumpen <?page no="49"?> 1 Gaseinlaß 2 Vorpumpleitung 3 Gehäuse ■ it Stator 3 4 Motor ■ i t Rotor 5 Massenspektrometer 6 Trennteil/ Separator 7 Transportpu■pe 8 Gasgemisch ~- - - - - - 9 Heliuum allein(+ H2) -E---- 10 Förderrichtung < Bild 3.15: Schema einer zweiflutigen Turbomolekularpumpe für Helium-Leckdetektoren Durch den unteren größeren Teil (Transportpumpe) wird das Gas aus dem Prüfling angesaugt und zum Vorvakuumanschluß verdichtet. Ist in diesem Gasgemisch Helium mit einem Partialdruck, der höher als die Vorvakuumbeständigkeit für Helium ist, enthalten, diffundiert es entgegen der Förderrichtung der oberen Stufen ins Massenspektrometer. Der Rest des Gasgemisches wird durch die Vorvakuumleitung abgepumpt. Sinkt der Heliumdruck fördert das Trennteil, der Separator, auch das Helium aus dem Trennsystem des Massenspektrometers ins Vorvakuum. Dieses System arbeitet nach dem Gegenstromprinzip, da die vorgeschaltete Förderstufe den Heliumdruck erhöht, wird das geringere Saugvermögen der Vorpumpe wie beim Einsatz von zwei Hochvakuumpumpen ausgeglichen. Die Berechnung der Leckrate erfolgt nach der Formel 10. Um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, wird der Pumpenabschnitt zum Trennen der Gase mit wenigen Stufen versehen, damit der Faktor "K'' klein bleibt. 3.2.3. Das Schleifenprinzip Um bei den Helium-Leckdetektoren zur Verbesserung der Empfindlichkeit den Helium-Partialdruck im Massenspektrometer zu erhöhen, wurde von einer Firma (Alcatel) das Schleifenprinzip entwickelt und in einem heute nicht mehr gebautem Gerät angewendet. Bild 3.16 zeigt schematisch den Aufbau nach diesem Prinzip. Die Konstruktion entspricht den Geräten nach dem Gegenstromprinzip 37 <?page no="50"?> 1 Gaseinlaß 2 Hochvakuuapumpe 3 Vorpumpe 4 Trennsystea des Spektrometers 5 Schleifenleitung 6 Drossel Bild 3.16: Schemaskizze eines Aufbaues nach dem Schleifenprinzip mit dem Einlaß in die Vorvakuumleitung. Zusätzlich besteht eine Verbindung mit eingebauter Drosselstelle vom Vorzum Hochvakuum (die Schleife). Durch diese Leitung wird entsprechend der Druckdifferenz und der Größe der Drossel ein Teil des Gasgemisches in das Massenspektrometer gesaugt Da das Gas durch die Hochvakuumpumpe wieder in die Vorvakuum-Leitung gefördert wird, steigt dort der Heliumpartialdruck über den Einlaßdruck des Heliums an und gelangt durch die Schleifenleitung wieder ins Massenspektrometer. Nach Angaben des Herstellers ist das Prinzip in der Empfindlichkeit sogar dem Hauptstromprinzip überlegen. In Absatz 3.3.2 sind einige technische Daten dieses Gerätes aufgeführt. 3.3. Aufbau der Helium-Leckdetektoren Der im vorigen Abschnitt beschriebene Aufbau. der Grundgeräte nach den verschiedenen Prinzipien wurde von den Herstellern durch Zusatzeinrichtungen erweitert. Dabei wurden die Detektoren auch für die unterschiedlichen Einsatzgebiete ausgerüstet. An. ein Gerät zur Dichtheitsprüfung von kleinen Bauteilen (z.B. Armaturen) innerhalb der Fertigung werden andere Anforderungen gestellt als an einen Lecksucher für große Vakuumanlagen (z.B. Vakuumöfen). Geräte für diese Gebiete werden heute von den Herstellern in Serien gefertigt und angeboten. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die industrielle Dichtheitsprüfung in einer Fertigungsstraße. Bei diesen Anlagen, die nur für ein bestimmtes Bauteil (z.B. Wärmetauscher, Fässer, Felgen) ausgelegt sind, überwiegt die Transporteinrichtung und die Steuerung den Anteil des Helium-Leckdetektors. Meistens wird in diesen Anlagen ein kleines transportables Gerät eingesetzt. 38 <?page no="51"?> Als Standardgeräte werden von fast allen Herstellern zwei Ausführungen angeboten: Die Tischgeräte und Die kleinen transportablen Lecksucher Dazu gibt es bei beiden noch Varianten der Grundausführung für besondere Anwendungen (z.B. Bombing-Verfahren). 3.3.1. Die Tischgeräte Nachdem die grundlegenden physikalischen Arbeiten zu den Helium-Leckdetektoren auf dem meß- und vakuumtechnischen Bereich abgeschlossen waren, wurden von mehreren Herstellern die ersten Geräte als Tischgeräte angeboten. Diese Geräte enthalten nicht nur ein Grundgerät mit den zum Betrieb notwendigen Armaturen, Meß- und Steuereinrichtungen, sondern auch noch eine zusätzliche Vakuumpumpe zum Evakuieren des Prüflings. Dieser Aufbau wurde bis heute beibehalten und wird jetzt mit den in der Zwischenzeit verbesserten Pumpen, Meßgeräten und besonders der Steuerung durch Elektronik gegenüber der früher üblichen Elektromechanik gebaut. Als eigentliche Leckdetektoren werden die Grundausführungen nach den verschiedenen Prinzipien eingesetzt, früher nur das Hauptstromheute meistens das Gegenstromprinzip. Die Konstruktion und der Aufbau der Tischgeräte sind für die Lecksuche und Dichtheitsprüfungen von einzelnen Bauteilen bis ca. 50 1Volumen vorgesehen. Der Ablauf der einzelnen Funktionen und Schritte ist bei allen Geräten gleich, unabhängig von den verschiedenen Fabrikaten. Es gibt nur Unterschiede, inwieweit die Geräte automatisiert sind und nach welchem Prinzip der eigentliche Detektor arbeitet. Anhand von zwei Geräten soll der Funktionsablauf kurz beschrieben werden. Zuerst an einem Tischgerät älterer Baureihe mit einem Detektor nach dem Hauptstromverfahren. Bild 3.17 zeigt die Ansicht und schematisch den Aufbau eines solchen Helium-Leckdetektors. In der folgenden Beschreibung des Arbeitsablaufes beziehen sich die Zahlen bei den einzelnen Bezeichnungen auf Bild 3.17. Nachdem der Leckdetektor betriebsbereit ist, wird der Prüfling am Elnlaßflansch 10 angeschlossen, das Doppelventil 4 ist zur Kühlfalle 7 geschlossen und zur Hilfspumpe 9 geöffnet. Die Hilfspumpe 9 evakuiert den Prüfling auf den zulässigen Einlaßdruck des Detektors. Dieser Druck darf meistens höher als der Betriebsdruck des Massenspektrometers sein, das weitere Abpumpen erfolgt durch die Kühlfalle (für Dämpfe) und die Hochvakuumpumpe (für lnertgase). Nach Erreichen des Umschaltdruckes, gemessen und gesteuert durch Meßgerät 15, wird Ventil 4 umgeschaltet, die Leitung zur Hilfspumpe 9 wird geschlossen und die zur Kühlfalle 7 geöffnet. Der Gasstrom aus dem Prüfling fließt 39 <?page no="52"?> 1 Massenspektro■eter 2 Di f fusionsP11 ■Pe 17 ---------,r~ 3 Baffle 7 -----,=1: : ===zt=,: : ; ; i! =: ,--~~--,r--11 4 Doppelventil 5 Belüftungsventil für Prüfling 6 Absperrventil 7 Tiefkühlfalle 8 VorpU■pe 9 Hi 1 fsP11 ■P8 10 Gaseinlaß 11 Anschluß seitlich 12 Ventilblock 16 r.===i---1----12 Xo/ ---\-¾H-,1----- 4 .....,... ___ 15 ~+-+--++---5 ~--H,---t-1t---14 i--t-i----13 13 Grobvakuu■ lei tung 'K""--t: ~-.+1--i=-i--s Hochvakuu■ 15 Vakuu■■eter Einlaß 16 Elektronik und Steuerung 17 Anzeigegerät für Leckrate Bild 3.17: Funktionsschema eines Helium-Leckdetektors nach dem Hauptstromprinzip mit Öldiffusionspumpe, Tischgerät mit Hilfspumpe Empfindlichkeit: 2*10-10 mbar*l/ s Helium im Hauptstrom durch die Kühlfalle 7, dabei auch ins Massenspektrometer 1, durch die Diffusionspumpe 2 und die Vorpumpe 8 in die Atmosphäre. Der Hochvakuumdruck wird durch das Meßgerät 14 gemessen und überwacht. Bei diesem Betriebszustand wird die Prüfung oder Lecksuche durchgeführt. Das Meßgerät 17 des Massenspektrometers zeigt die richtige Leckrate an, falls es vorher justiert wurde. Steigt während der Prüfung der Einlaßdruck über den für das Massenspektrometer zulässigen, wird dieses abgeschaltet und kann erst nach Erreichen des Betriebsdruckes wieder eingeschaltet werden. Nach der Prüfung werden im Doppelventil 4 beide Anschlüsse (zur Kühlfalle und Hilfspumpe) geschlossen, und der Prüfling wird über Ventil 5 belüftet. Wird wegen eines zu großen Lecks oder zu starken Gasanfalls aus dem Prüfling der zulässige Einlaßdruck nicht erreicht, kann bei weiter evakuierender Hilfspumpe 9 das zur Kühlfalle 7 führende Ventil 4 als Drossel soweit geöffnet werden, daß der Betriebsdruck des Massenspektrometers nicht überschritten wird. Bei dieser Betriebsart fließt nur ein Teil des aus dem Prüfling kommenden Gasstromes durch den Detektor, der Rest wird durch die Hilfspumpe 9 in die Atmosphäre gepumpt. Deshalb kann zwar die Lecksuche durchgeführt, nicht aber die Leckrate gemessen werden. Um die Leckrate zu bestimmen, muß der Umrechnungsfaktor mit Hilfe eines Testlecks ermittelt werden. Um aber auch bei dieser 40 <?page no="53"?> 1 Vakuu■aeter, Einlaß 2 Gaseinlaß 3 Bypassventil 4 Einlaßventil 5 Flutventil für Pumpe 6 Turbomolekularpumpe 7 Trennsystem, Spektrometer 8 Vorpumpe 9 Vakuummeter für Vorpumpe 10 Koppelventil 11 Drossel für Grobleck 12Hilfspu■pe 13.Testleck 14 Ventil für Hilfspumpe 15 Belüftungsventil I --- ·_J ___ J 6 7 1s----==l><l==C===! =f><I l 14----------x 13 12 11 10 9 8 Bild 3.18: Funktionsschema eines Helium-Leckdetektors nach dem Gegenstromprinzip mit zweiflutiger Turbomolekular- ~ und Hilfspumpe. Empfindlichkeit: 2*10- 10 mbar*l/ s Helium <?page no="54"?> Betriebsart, die als Teilstromverfahren bezeichnet wird, die Leckrate ohne Testleck und Berechnung zu messen, wurden anstelle eines Drosselventils feste Drosseln eingebaut und damit ein festes Teilstromverhältnis eingestellt. Durch Umschaltung in der Elektronik wird auch bei Teilstrom die wahre Leckrate angezeigt. Bild 3.18 zeigt das Schema eines Helium-Leckdetektors nach dem Gegenstromprinzip als Tischgerät mit der Einrichtung für verschiedene Betriebszustände. Dieses Gerät entspricht dem heutigen Stand der Technik und wird von mehreren Firmen in ähnlicher Ausführung angeboten. Durch den Einsatz des Gegenstromprinzips in Verbindung mit zwei Turbomolekularpumpen oder einer zweiflutigen Pumpe hat der Detektor einen stark erweiterten Meßbereich. Die von den verschiedenen Herstellern angebotenen Tischgeräte sind im Grundaufbau und der Funktion einem der beiden gezeigten und beschriebenen Geräten ähnlich. Als Hochvakuumpumpen werden Turbomolekular- oder Öldiffusionspumpen manchmal auch noch mit Tiefkühlfalle eingesetzt. Die Funktion des dargestellten Tischgerätes mit zwei Hochvakuumpumpen wird beschrieben. Die Angaben in der Funktionsbeschreibung beziehen sich auf Bild 3.18. Funktionsbeschreibung zu Bild 3. 18. Das am Einlaßflansch 2 angeschlossene Prüfobjekt wird durch die Hilfspumpe 12 über Ventil 14 evakuiert, die übrigen Ventile sind geschlossen. Ist der für die Turbomolekularpumpe 6 zulässige Einlaßdruck erreicht, schließt Ventil 14 und Ventil 4 öffnet. Der Detektor arbeitet im Hauptstromverfahren. Wird der Druck nicht erreicht, kann nach dem Teilstromverfahren gearbeitet werden. Dabei bleibt Ventil 14 offen und die Hilfspumpe 12 pumpt weiter, das Bypassventil 3 mit der nachgeschalteten Drossel öffnet. Die Drossel erzeugt ein feststehendes Teilstromverhältnis, durch gleichzeitiges Umschalten der Elektronik für die Meßeinrichtung wird die wirkliche Leckrate angezeigt. Wird auch dieser Einlaßdruck nicht erreicht, kann über die Drossel 11 für den Grobleckbereich bei geschlossenen Ventilen 3 und 4 ein Teilstrom durch die Verpumpe 8 angesaugt werden und der Heliumanteil gelangt im Gegenstrom ins Massenspektrometer. Dabei kann die Leckrate nur durch Vergleich mit einem Testleck ermittelt werden. Die zweite Turbomolekularpumpe zum Ansaugen des Gases aus dem Prüfling ist bei dieser Arbeitsweise außer Funktion. Der in diesem Gerät benutzte Aufbau entspricht dem Gegenstromprinzip mit zwei Hochvakuumpumpen zum Messen der Leckraten im Haupt- und Teilstromverfahren. Bei hohen Ansaugdrücken oder großen Lecks arbeitet das Gerät nach dem einfachen Gegenstromprinzip und zur Lecksuche nach dem Teilstromverfahren. 42 <?page no="55"?> 3.3.2. Der transportable Helium-Leckdetektor Mit der steigenden Anforderung an die Dichtheit von Bauteilen und Anlagen wurde es notwendig, mit dem Prüfgerät auch außerhalb der Fertigungsstellen zu arbeiten. Ebenso mußten Lecksuchen an defekten Anlagen oder Behältern durchgeführt werden. Mit den Helium-Leckdetektoren (Tischgeräten) konnten diese Aufgaben zwar erfüllt werden, doch der Transport dieser 150 bis 200 kg schweren Geräte war sehr aufwendig. Deshalb wurden von verschiedenen Firmen kleine transportable Geräte entwickelt. Ausgegangen wurde von den in den Tischgeräten eingesetzten Detektoren (Grundgeräten). Doch erst als kleine und leichte Vakuumpumpen und Bauteil_e aus Leichtmetall und die·Meß- und Steuertechnik als Elektronikbauteil anstelle der Elektromechanik verfügbar waren, konnten die Geräte klein, leicht (ca. 30 kg) und damit tragbar werden. Vorher bestand ein solcher Leckdetektor oft aus 2 oder 3 Baugruppen mit einem Gesamtgewicht von 70 bis 80 kg. Fast alle transportablen, tragbaren Helium-Leckdetektoren entsprechen in ihrem Aufbau den einfachen Grundgeräten nach den. verschiedenen Arbeitsprinzipien mit den notwendigen Armaturen, Meß- und Steuereinrichtungen. Zur Erweiterung des Meß- und Einsatzbereiches werden teilweise noch Zusatzelemente eingebaut. Deshalb soll an Hand von Firmenunterlagen ein modernes Gerät nach dem Gegenstromprinzip mit einer zweiflutigen Turbomolekularpumpe be-: schrieben werden. Bild 3.19 zeigt das Funktionsschema des Gerätes nach dem Gegenstromverfahren. In diesem Gerät sind genau wie bei dem in Bild 3.18 gezeigten Tischgerät durch das Umschalten von Ventilen drei Meßbereiche wählbar. Diese Bereiche werden durch den im Einlaß des Gerätes erreichten Druck bestimmt. Zur Lecksuche nach dem Vakuumverfahren soll eine kurze Funktionsbeschreibung gegeben werden. Dabei beziehen sich die Zahlen an den Bezeichnungen der Bauteile auf Bild 3.19. Funktionsbeschreibung. Das Gerät hat zwei Anschlußstellen zur Verbindung mit dem Prüfobjekt, Anschluß I für den Druckbereich kleiner 0,5 mbar an Meßstelle P2 und Anschluß II für den Druckbereich 1 bis 0,5 mbar im Objekt. Ist der Druck höher, muß ein Drossel-/ Dosierventil vorgeschaltet werden. Das am Anschluß I angeschlossene Prüfobjekt mit einem Volumen bis 10 1kann durch die Vorpumpe 5 bei geöffnetem Ventil 2 evakuiert werden, die übrigen Ventile sind dabei geschlossen. Größere Volumen benötigen eine zusätzliche Pumpe zum Vorevakuieren auf den zulässigen Einlaßdruck. Ist nach Meßstelle P2 der Druck kleiner 0,5 mbar erreicht, öffnet Ventil V1, der Detektor arbeitet nach dem einfachen Gegenstromprinzip mit einem Saugvermögen von 0,4 1/ s. Wird der Druck an P2 kleiner 0, 1 mbar, schließt Ventil 2 und Ventil V4 öffnet. Der Detektor arbeitet nach dem Gegenstromprinzip mit zweiflutiger Turbomolekularpumpe. Dabei beträgt das Saugvermögen für Helium 2 I/ s. Der Einlaß II ist für die Prüfobjekte mit eigener Vakuumanlage vorgesehen. Das Saugvermögen beträgt dann 0,01 I/ s. Beim Arbeiten an diesem Anschluß sind 43 <?page no="56"?> t 1 Einlaßanschluß I 2 Einlaßanschluß II 3 Massenspektro■eter ■ it Vorverstärker 4 Zweiflutige Turbomolekularpu■pe 5 Vorvakuu■pu ■pe 6 Testleck (Zubehör) Vl Arbeitsventil Vorvakuu ■ V2 Teilstro■ V3 Flutventil für Einlaß V4 Arbeitsventil Feinleck V5 Belüftungsventil f. HV-pu■pe V6 Arbeitsventil Grobleck V7 Ventil für Testleck VS Gasballastventil Fl Vakuu ■■ eter, Vorvakuu ■ F2 Vakuummeter, Vorpumpe r-=· 1 1 1 1 ---· F-·-·==i ~~~__,_r-; -"""'111· ,ri- -....t,_ __ _" L---· ·-·.J 1 1 1 l l,m~ 1 •Jf; : _JI L: : .,'. __________ _ Bild 3.19: Funktionsschema eines transportablen Helium-Leckdetektors nach dem Gegenstromprinzip mit zweiflutiger Turbomolekularpumpe. Empfindlichkeit: 8*10- 11 mbar*l/ s Helium <?page no="57"?> die Ventile V1 und V6 geöffnet, die übrigen geschlossen. Das Gerät arbeitet nach dem einfachen Gegenstromprinzip Als weiteres wird ein wohl größeres aber interessantes Gerät, das nicht mehr angeboten wird, behandelt. Dieser Detektor konnte für alle drei Prinzipien eingestellt werden, dazu hat der Hersteller auch die für den Anwender interessanten Unterschiede beim Arbeiten nach dem Hauptstromprinzip, Gegenstromprinzip und Schleifenprinzip Die klassische Meßmethode Der gesamte Helium-Strom wird om Eingang der Analysenzelle vorbeigeführt, deshalb, hohe Empfindlichkeit. Das Helium-Saugvermögen am Einlaß E ist hoch, deshalb: kurze Ansprechze: t. Der Druck om Einlaß E muß kleiner 10· 3 mbar sein, wenn das Einlaßventil ganz geöffnet ist. Die Gegenstrom-Meßmethode Nur ein Teil Q 2 des gesamten Helium- Stroms a 1gelangt entgegen der Pump· richtung der Turbomolekulorpumpe zur Analysenzelle, deshalb: verringerte Empfindlichkeit. Das erfeklive Saugvermögen für Helium om Einlaß E ist gering ! nämlich nur das Saugvermögen der Vorpumpe), die Ansprechzeit wird lang. Dieser Aufbau ergibt ein „langsames Gerät". Der Druck am Einlaß E darf bis zu 3 · 10· 1 mbar belrogen. Die Closed-Loop-Meßmethode Der Hclium-Sfrorn 0 1, der an der Analysenzelle vorbeigeführt wird, ist · größer als der Helium-Strom Q, der in das Gerät eingelassen wird, deshalb, maximale Empfindtichkeit. Das Saugvermögen für Helium am Einlaß E ist hoch, deshalb, kurze Ansprechz: eit. Der Druck am Einlaß E darf bis zu 3 · 10· 1 mbC'r betrogen. hohe Empfindlichkeit lc.urze Ansprechzeit A_ "_ ___________ t reduzierte Empfindlichkei lange Ansprechzeit, maximale Empfindlichkeit rc~=- .. . Bild 3.20: Vergleich der Empfindlichkeit und Ansprechzeit bei den verschiedenen Arbeitsprinzipien der Helium-Leckdetektoren. (Aufgenommen mit einem Gerät "ASM 110 TCL" von Fa. Alcatel) 45 <?page no="58"?> j ,=-: : ..= Bild 3.21: Vergleich der Empfindlichkeit in Abhängigkeit vom Einlaßdruck bei den verschiedenen Arbeitsprinzipien. (Aufgenommen mit einem Gerät "ASM 110 TCL" und Testleck 8*1 o-s mbar*l/ s He von Fa. Alcatel) angegeben. Diese mit dem Gerät ermittelten Werte zeigen den Unterschied der Empfindlichkeit bei gleichen Betriebsbedingungen. In Bild 3.20 sind die 3 Meßprinzipien mit den dazugehörigen Empfindlichkeiten und Ansprechzeiten dargestellt. Im Bild 3.21 ist die angezeigte Leckrate eines Testlecks von 8 * 10-s mbar*l/ s Helium in Abhängigkeit vom, durch Lufteinlaß eingestellten, Einlaßdruck bei den verschiedenen Arbeitsprinzipien aufgetragen. Dabei ist die Leckratenanzeige nach dem Hauptstromverfahren justiert. Der Anstieg des Einlaßdruckes durch Lufteinlaß von 1 Q-4 auf 1 Q-3 mbar verursacht, durch den Heliumgehalt der Luft, auch einen Anstieg der Leckrate. Beim Betrieb nach dem Gegenstromprinzip wird durch die Kompression der Tur- 46 <?page no="59"?> bomolekularpumpe, gegen die das Helium ins Massenspektrometer diffundieren muß und das kleinere Saugvermögen der Vorpumpe gegenüber der Hochvakuumpumpe, eine um den Faktor 10 kleinere Leckrate als die des Testlecks angezeigt. Der Anstieg der Leckratenanzeige ab 2*1 o- 2 bis 2*10- 1 mbar Einlaßdruck ist durch die in diesem Druckbereich fallende Kompression ·der Turbomolekularpumpe begründet (siehe auch 3.1 Bild 3.9). Dadurch ist bei Einlaßdrücken des Gasgemisches größer 2*1 o- 2 mbar wohl eine Lecksuche aber keine Bestimmung der Leckrate möglich. Wird das Gerät nach dem Schleifenverfahren betrieben, liegt die Leckratenanzeige im Hochvakuumbereich wohl um den Faktor 3 höher gegenüber dem Testleck, fällt aber bei steigendem Einlaßdruck stark ab. Da es im ganzen Meßbereich keine konstante Anzeige gibt, ist dieses Prinzip nicht zur Messung von Leckraten, wohl aber gut zur Lecksuche geeignet. Diese Gegenüberstellung der verschiedenen Arbeitsprinzipien zeigt die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden. Die Geräte nach dem Hauptstromprinzip haben das größte Saugvermögen und damit bei der Lecksuche die kürzeste Ansprechzeit, benötigen aber im Einlaß eine Tiefkühlfalle. Der zulässige Einlaßdruck entspricht dem Betriebsdruck des Massenspektrometers und liegt deshalb im Hochvakuumbereich. Das Saugvermögen für Helium der Detektoren nach dem Gegenstromprinzip beträgt nur 2 bis 5 % bei einer und 10 bis 15 % bei zwei Hochvakuumpumpen und die Empfindlichkeit nur ca. 10 % von den Geräten nach dem Hauptstromprinzip. Diese Nachteile werden durch den Wegfall der Kühlfalle und durch den zulässigen höheren Einlaßdruck im Feinvakuumbereich und damit die kürzere Zeit zum Vorevakuieren des Prüfobjektes ausgeglichen. Beim Anschluß dieser Geräte an einen unter Hochvakuum stehenden Prüfling müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden. Das Schleifenverfahren wird kaum eingesetzt, es entspricht dem Gegenstromprinzip mit dem Vorteil der höheren Empfindlichkeit, ist aber nur zur Lecksuche geeignet, da sich die Anzeige der gleichen Helium-Leckrate mit dem Totaldruck am Einlaß stark verändert. Genau wie bei den Tischgeräten werden auch bei den transportablen Geräten Turbomolekularwie auch Diffusionspumpen eingesetzt. Ebenso werden bei den verschiedenen Herstellern durch kleine Veränderungen der Elektronik wie der Vakuumeinrichtung besondere Eigenschaften hervorgehoben. 3.4 Behandlung der Helium-Leckdetektoren Aus den Beschreibungen der Geräte und deren Einzelteile ist ersichtlich, daß die Helium-Leckdetektoren mehr einer Hochvakuum-Anlage als einem Meßgerät entsprechen. Die Hersteller geben zwar meistens an, daß ihre Geräte "wartungsfrei" oder wenigstens "wartungsarm" sind, doch damit mit den Geräten einwandfreie und richtige Ergebnisse erzielt werden, müssen einige Punkte in der Behandlung der Leckdetektoren beachtet werden. 47 <?page no="60"?> Der Helium-Leckdetektor besteht.wie unter 3.1 bis 3.3 beschrieben aus mehreren Funktionsgruppen. 1. Dem Meßsystem für den Heliumanteil in einem Gasgemisch, dem Massenspektrometer oder dem Massenfilter. 2. Der Vakuumeinrichtung aus Vorpumpe (Ölüberlagerte Drehschieberpumpe), der Hochvakuumpumpe (Öldiffusions- oder Turbomolekularpumpe} und den Ventilen, teilweise noch der Tiefkühlfalle; die Vakuumanlage hat die Aufgaben: das Betriebsvakuum von kleiner 1o- 4 mbar für das Massenspektrometer zu erzeugen und das Gasgemisch mit dem Testgas aus dem Prüfobjekt zum Trennsystem des Massenspektrometers zu transportieren. 3. Den Druckmeßeinrichtungen (Vakuummetern) zur Überwachung und Steuerung des Funktionsablaufes der Vakuumanlage und des Meßvorganges. 4. Der elektrischen Versorgung für die Pumpen, die automatischen Ventile und der Meßgeräte. Diese Bauelemente dienen zum Erfassen von 0,5 ppm Helium in einem Gasgemisch mit einem Totaldruck von kleiner 10-4 mbar, das ergibt einen Helium-Partialdruck von 10- 11 mbar. Dazu noch einige Werte, um zu zeigen wie klein die im Meßsystem zu verarbeitende Energie ist. In einem Liter Gas befinden sich bei 20°C und einem Druck von: 1000 mbar 2,67*1023 Gasteilchen 10-4 mbar 2,67*101s Gasteilchen 10-11 mbar 2,67*109 Gasteilchen Die Empfindlichkeit eines Massenfilters beträgt: 10- 4 Ampere/ mbar, das sind bei 10-11 mbar Helium-Partialdruck I+ = 10-15 Ampere, die sicher bis zum Anzeigegerät verarbeitet werden müssen. 3.4.1 Hinweise zum Betrieb Um diesen niedrigen Helium-Partialdruck von 1 o- 11 mbar im Trennsystem des Massenspektrometers ohne Verfälschung zu erfassen, dürfen sich im System keine abgasenden Produkte wie Wasser oder Öl niedergeschlagen haben. Damit die sehr aufwendige Reinigung des Trennsystems vermieden wird, muß verhindert werden, daß Dämpfe in den Hochvakuumraum gelangen. Diese können aus dem Prüfling wie auch aus den Pumpen der Vakuumeinrichtung kommen. Zum Schutz vor Verschmutzung durch Dämpfe (Wasserdampf) aus dem Prüfobjekt, muß bei Detektoren nach dem Hauptstromprinzip eine Tiefkühlfalle vor oder im Gerät vorhanden sein. Diese muß, bevor das Einlaßventil geöffnet wird, gefüllt und abgekühlt werden. Detektoren nach dem Gegenstromprinzip benötigen keine Falle, bei ihnen ist es aber wichtig, daß die vor dem Massenspektrometer sitzende Hochvakuumpumpe arbeitet und im Trennsystem der Betriebsdruck vorhanden ist. Es spielt bei beiden Arbeitsprinzipien keine Rolle welche Pumpenart eingesetzt ist. 48 <?page no="61"?> Nun bestehen alle Hochvakuum-Pumpsätze aus Vor- und Hochvakuumpumpe. Dabei ist die Vorpumpe eine ölüberlagerte Drehschieberpumpe, die im Betrieb 60 bis 80 C erreicht. Wenn kein Gasdurchsatz vorhanden ist, strömt Öldampf aus dem Ansaugstutzen zurück in die Vakuumleitung. Dies ist immer bei Betrieb gegen Endvakuum der Fall, deshalb darf die Vorpumpe nur gegen Endvakuum arbeiten, wenn auch die Hochvakuumpumpe in Betrieb oder wenn das Trennsystem gegen die Vakuumleitung abgesperrt ist. Ebenso gefährlich ist die Ölrückströmung aus den Öldiffusionspumpen, die während der Anheiz- und Abkühlzeit besonders stark ist. Während dieser Zeiten sollte das Trennsystem auch abgesperrt sein. Ein starker Dampfstoß in den Hochvakuumraum (Trennsystem) tritt auf, wenn durch einen Lufteinbruch in die Vorvakuumleitung das Gas durch die Diffusionspumpe zurück schlägt. Dies kann leicht bei den Detektoren nach dem Gegenstromprinzip auftreten. Da die Turbomolekularpumpen im Hochvakuumbereich ganz trocken sind, kann das Trennsystem durch diese Pumpen nicht verschmutzt werden. Einige Fabrikate sind im Trennsystem besonders der Ionenquelle mit einer Heizvorrichtung versehen, durch die das Kondensieren von Dämpfen auf diesen Teilen verhindert werden soll. Im Allgemeinen sind die Geräte von den Herstellern mit automatischem Funktionsablauf ausgestattet. Durch diese Einrichtung ist sichergestellt, daß beim Einschalten beide Pumpen zusammen in Betrieb gehen. Trotzdem sollte bei den mit Öldiffusionspumpen bestückten Geräten das Ventil zum Massenspektrometer erst geöffnet werden, wenn die Pumpe ihre Betriebstemperatur erreicht hat und arbeitet oder die Tiefkühlfalle gefüllt ist. Ist der Detektor in Betrieb, sollte er nicht transportiert oder starken Erschütterungen ausgesetzt werden. Die heiße Glühkathode und auch die laufende Turbomolekularpumpe vertragen keine Stöße. Deshalb müssen vor dem Transport die Emission und die Pumpe ausgeschaltet werden. Zum Ausschalten der Geräte nach der durchgeführten Prüfung sind oft besondere von den Herstellern angegebene Vorschriften zu beachten. Bei allen Geräten sollte vor dem Abschalten das Einlaßventil geschlossen werden. Der Druck im Hochwie im Vorvakuum muß den vor der Prüfung gehabten Wert erreichen. Wenn dies nicht der Fall ist, müssen die Pumpen noch einige Zeit weiter gegen Endvakuum laufen. Bei Geräten mit Tiefkühlfalle muß das Trennsystem durch ein Ventil abgeschlossen werden, bevor die Falle warm wird und die an der Kaltfläche haftenden Dampfteilchen frei werden. Zum Reinigen der Kühlfalle nach großem Dampfanfall (z.B. bei Chemie-Anlagen) soll die Falle im kalten Zustand ausgebaut werden, damit alle Dampfteilchen an der Kaltfläche bleiben und nicht in den Detektor abdampfen. Bevor die Pumpen abgeschaltet werden, sollen alle Ventile, die den Vakuumraum gegen die Atmosphäre und gegen die Vorpumpe abtrennen, geschlossen werden. Durch das Belüften des Vakuumraumes schlägt sich sehr viel Wasserdampf aus der Luft in den Pumpen und Leitungen nieder. Bei der Wiederinbetriebnahme dauert es dann oft Stunden, bis die Wasserhaut abgepumpt und der Betriebsdruck erreicht ist. Außer diesen Hinweisen, die für alle Helium-Leckdetektoren gelten, sind auch 49 <?page no="62"?> die zu den Geräten gehörenden Betriebs- und Gebrauchsanweisungen genau zu beachten. 3.4.2 Mögliche Störungen Die meisten Hersteller geben mit den Bedienungsanweisungen auch Hinweise auf mögliche Störungen während des Betriebes ihres Helium-Leckdetektors an. Darin sind auch Anweisungen zur Lokalisierung und Beseitigung der Ursache enthalten. Diese Angaben sind wie auch die Gebrauchsanweisung auf einen Gerätetyp abgestimmt. Nun gibt es aber auch Störungen, die bei allen Helium- Leckdetektoren auftreten können. Dabei sind wieder die drei Hauptgruppen zu unterscheiden: Die elektrische und elektronische Versorgung Für diese Baugruppe hat jeder Hersteller seine eigene Konstruktion entwickelt. Wichtig ist bei Ausfall der Versorgung die Kontrolle der Zuleitung und der Sicherungen. Sind nur einzelne Funktionen gestört, muß nach den Gebrauchsanweisungen verfahren werden. Bei einigen der neuesten Geräte wird die Ursache der Störung durch eine Fehlermeldung der Elektronik angezeigt. Die Vakuumeinrichtung Störungen in der Vakuumanlage machen sich immer durch anormales Druckverhalten bemerkbar. Jedes Gerät benötigt bis zur Prüfbereitschaft eine spezifische Zeit, die vom Hersteller als Richtwert angegeben wird. Es ist gut, diese Zeit bei den ersten Einsätzen des Gerätes genau zu ermitteln, dabei ist es wichtig, daß die Druckmeßgeräte in Ordnung sind. Da auch hier jede Firma ihre besonderen Geräte verwendet, muß der Anwender bei Störungen und zur Überprüfung nach den Betriebsanweisungen vorgehen. Eingesetzt werden zur Druckmessung im Feinvakuumbereich (Vorvakuum) thermoelektrische Systeme und im Hochvakuum lonisationsvakuummeter. Diese sind bei einigen Geräten im Trennsystem des Massenspektrometers integriert, sonst als selbständige Meßgeräte eingebaut. Weicht die Anlaufzeit stark von der ermittelten Norm ab, ist die Vakuumeinrichtung durch Dämpfe verunreinigt. Um die Selbstreinigung, die durch längeres Pumpen erfolgt, zu beschleunigen, kann über ein Drosselventil trockenes Gas ins Hochvakuum bis zum Vorvakuumdruck von ca. 0,5 mbar bei Diffusionspumpen und von ca. 1 mbar bei Turbomolekularpumpen eingelassen werden. Fällt der Druck schon im Bereich von einigen mbar nur langsam, ist wahrscheinlich das Öl der Vorpumpe verschmutzt. Soll sich die Pumpe durch Betrieb mit Gasballast selbst reinigen, muß die Vorvakuumleitung abgeschlossen werden, damit kein Dampf in die Hochvakuumpumpe zurückströmt. Diese muß dabei ausgeschaltet sein. Am besten ist es, einen Ölwechsel durchzuführen. Bleibt der Druck bei einem bestimmten Wert stehen, ist ein Leck in der Vakuumeinrichtung. Kann das Massenspektrometer schon betrieben werden, ist die Lecksuche mit Helium möglich. Liegt der Druck aber zu hoch, müssen die einzelnen 50 <?page no="63"?> Abschnitte der Vakuumanlage durch die Kontrolle des mit der Vorpumpe erreichbaren Druckes überprüft werden. Dabei ist es günstig, ein zusätzliches Druckmeßgerät einzusetzen. Zuerst muß die Vorpumpe allein geprüft werden, dann weiter mit der Vorvakuumleitung und dann die anschließenden Bauelemente. Zur Überprüfung der Vakuumeinrichtung muß das Einlaßventil geschlossen sein. Können die einzelnen Abschnitte nicht durch Ventile abgesperrt werden, müssen die Leitungen abgeflanscht werden. Falls die Vorpumpe nicht anläuft, aber die elektrische Zuleitung in Ordnung ist, kann die Temperatur des Gerätes zu niedrig sein (niedriger als 10°C). Das bei dieser Temperatur zu zähe Öl verhindert das Anlaufen. Druckschwankungen während des Betriebes werden bei Öldiffusions- und ölüberlagerten Vorpumpen durch Treibmittel- oder Ölmangel verursacht. Defekte Turbomolekularpumpen machen sich durch Veränderung des Laufgeräusches oder durch abfallende Drehzahl bemerkbar. Im Allgemeinen ist die Vakuumeinrichtung bei Pflege und Wartung nach der Gebrauchsanweisung betriebssicher. Die Leckratenanzeige Die Leckrate wird aus dem Helium-Partialdruck im Trennsystem des Massenspektrometers und dem Saugvermögen für Helium an der Meßstelle berechnet. Die Überprüfung der Anzeige auf Richtigkeit und die Justierung wird im nächsten Abschnitt behandelt. Eine oft auftretende Störung ist hoher oder sogar langsam steigender Untergrund der Leckratenanzeige. Dadurch ist oft ein genaues Arbeiten mit dem Gerät nicht mehr möglich. Die Ursache dieser Störung liegt aber nicht an einem Fehler des Detektors, dieser arbeitet sogar einwandfrei, denn der Helium-Partialdruck steigt wirklich langsam an oder ist noch nicht abgebaut. Verursacht wird diese Störung durch die Diffusion des Heliums in und durch Elastomere, die als Material für Dichtungen im Detektor oder Prüfobjekt eingesetzt sind. Dieser Fehler tritt oft bei Integraler Dichtheitsprüfung nach dem Vakuumverfahren auf. Ist z.B. durch ein großes Leck über einige Minuten viel Helium in das Prüfobjekt und den Detektor gelangt, diffundiert es in die Elastomere und das Abpumpen dauert längere Zeit (manchmal Stunden). Oft schwankt auch die Anzeige ohne ersichtlichen Grund. Dann muß das Einlaßventil geschlossen werden, um zu prüfen, ob die Ursache im angeschlossenem Volumen oder dem Detektor liegt. Bleiben die Schwankungen gleich, hat sich Helium in der Vorpumpe angesammelt. Das Gas wird mit dem Dichtöl stoßweise aus dem Auspuff in den Saugraum gefördert und diffundiert, dann im Gegenstrom durch die Hochvakuumpumpe ins Massenspektrometer. Um das Helium aus der Vorpumpe zu treiben, muß diese einige Minuten mit Gasballast laufen, dabei darf aber kein Helium durch das Gasballastventil angesaugt werden. Besitzt die Pumpe keine Gasballasteinrichtung, kann auf der Saugseite etwas Luft eingelassen werden. Dabei darf aber der zulässige Einlaßdruck nicht überschritten werden. 51 <?page no="64"?> 3.4.3 Einstellen und Justieren des Hellum-Leckdetektors Damit der Helium-Leckdetektor nicht nur dicht oder undicht anzeigt, sondern auch die Größe der Leckrate ermittelt, muß die Anzeige des Meßsystems überprüft und, wenn notwendig, justiert werden. Durch den erforderlichen sehr genauen Aufbau machen sich kleine geometrische Änderungen im Trennsystem in der Anzeige des Massenspektrometers bemerkbar. Durch Erschütterungen oder Temperaturwechsel können sich für die Trennung der Massen (Gase) wichtigen Bauteile um Bruchteile von Millimetern gegeneinander verändern. Diese neue Geometrie im Trennsystem kann durch Angleichung der elektrischen Werte (Spannungen) im Ablenksystem ausgeglichen werden. Ein Massenspektrometer besitzt die höchste Empfindlichkeit, wenn möglichst viele der im Ionisierungsraum befindlichen Atome/ Moleküle des Testgases ionisiert und auf den Auffänger (Kollektor) gelenkt werden, ohne daß auch andere Teilchen der benachbarten Massen diesen erreichen. Diese Einstellung der elektrischen Werte auf die maximale Empfindlichkeit wird bei einigen der neuesten Geräte durch die Elektronik ausgeführt, sonst muss sie per Hand erfolgen. In beiden Fällen ist aber eine Testgasquelle mit gleichmäßigem Testgasfluß (Leckrate) notwendig. Künstliche Lecks mit einer bestimmten Leckrate werden "Testlecks" genannt. Dabei gibt es zwei Ausführungen: Die Diffusionslecks und die Kapi/ larlecks. In den Diffusionslecks (Bild 3.22) mit einer Leckrate von 1 Q-9 bis 1 Q-7 mbar*l/ s diffundiert das Helium aus dem mit Überdruck gefüllten Vorrat 4 durch eine Glasfläche 3 über das Absperrventil 1 in den Anschluß 2. Der Permeationsvorgang ist nicht nur von der Größe und Stärke der Glasfläche sondern auch von der Temperatur abhängig, deshalb wird für jedes Testleck die Abweichung (im Mittel 3 bis 4% pro 10 °C) angegeben, ebenso die Grundtemperatur. Der Gasverlust beträgt bei einer Leckrate von 5*1 o-a mbar*l/ s im Jahr 1,58 cm3 (NPT), das Testleck ist also über mehrere Jahre brauchbar. Diese Testlecks können von den von der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt (PTB) zugelassenen Firmen als "Kalibrier/ eck mit DKD-Zertifikar• (Deutscher-Kalibrier-Dienst) angeboten werden. Wegen ihrer berechenbaren gleichbleibenden Leckrate werden besonders die Diffusionslecks zum Justieren der Helium-Leckdetektoren eingesetzt. Der Einstellvorgang ist in den Betriebsanweisungen der Geräte genau beschrieben, denn die verschiedenen Gerätetypen sind mit unterschiedlichen Möglichkeiten versehen. Es ist bei allen Testlecks günstig, das Ventil des Lecks vor dem Einschalten des Massenspektrometers kurz zu öffnen, damit die unter dem Ventil angesammelte Gasmenge austreten kann, sonst spricht durch den Druckstoß die Sicherheitseinrichtung an. Der Bereichsumschalter der Leckratenanzeige sollte auf der gröbsten Stufe stehen und erst nach der Meßbereitschaft und dem Öffnen des Ventils am Testleck auf den Bereich der Leckrate geschaltet werden. Dann kann die Einstellung/ Justierung vorgenommen werden. 52 <?page no="65"?> 2 1 4 1 5 6 Absperrventil; 2 Vakuumanschluß; 3 Diffusionsleck; 4 Heliumvorrat; 5 Metallbehälter; 6 Füllstutzen. Bild 3.22: Testleck (Diffusionsleck) mit Heliumvorrat; Leckraten: 1 o-e bis 1 o- 7 mbar*l/ s 1 6 1 Spülventil 2 Anschlußflansch 3 Auslaßfilter 4 Kapillarleck (Glas) 5 Metallgehäuse 6 Füllstutzen ! 5 Bild 3.23: Testleck (Kapillarleck) ohne Gasvorrat; Leckraten: 1 Q-7 bis 1 Q-4 mbar*l/ s 53 <?page no="66"?> Kapillarlecks Die Kapillarlecks (Bild 3.23) mit Leckraten von 1 o- 7 bis 1 o- 4 mbar*l/ s für Helium oder Luft haben keinen Heliumvorrat, denn dafür ist die austretende Menge zu groß. So strömen bei einer Leckrate von 5*1Q-5 mbar*l/ s im Jahr 1,58 dm3 (N PT) Gas aus. Diese Lecks bestehen aus der Kapillare 4, die meistens aus Glas hergestellt wird. Durch Ausziehen einer schon feinen Kapillare wird diese auf einen weit kleineren Durchmesser gebracht, über die Länge der Kapillare wird die gewünschte Leckrate eingestellt. Dieses Glasteil wird in eine Metallhülse eingesetzt, die mit Ein- und Auslaßfilter versehen ist. Die Filter sollen die Kapillare vor Verschmutzung durch Staub schützen. Mit Flüssigkeit verstopfte Kapillarlecks können kaum noch gereinigt werden. Beim Einsatz dieser Testlecks ohne Gasvorrat am Leckdetektor oder an evakuierten Prüflingen wird eine mit Helium gefüllte Blase aus elastischem Material am Einlaß angeschlossen, damit die Druckdifferenz von 1 bar eingehalten wird. Besonders wichtig sind die Lecks zur Bestimmung des Korrekturfaktors bei Prüfungen und Lecksuche nach dem Teilstromverfahren. Das ist der Faktor, der das Verhältnis von wirklicher zu angezeigter Leckrate angibt. Weiter werden diese Testlecks bei der Lecksuche an Prüflingen mit großem Volumen im Verhältnis zum Saugvermögen des Detektors zum Messen der Ansprechzeit benötigt. Ein anderer Einsatz ist die Prüfung und Einstellung der Schnüffler für die Überdruckverfahren. Außer diesen Standard-Testlecks werden noch weitere Ausführungen angeboten wie z.B. Kapillarlecks zum Anschluß an Druckflaschen; durch Änderung des Vordruckes ergibt sich hier ein~. andere Leckrate. Eine andere Testeinrichtung hat ein feines Dosierventil zur Anderung der Leckrate bei gleichem Vordruck. Die Handhabung der Testlecks wird an Hand der Prüfverfahren in Abschnitt 4. erläutert. 54 <?page no="67"?> III. PRÜFVERFAHREN - UND METHODEN 4. Prüfverfahren Nach der Beschreibung des Aufbaues und der verschiedenen Arbeitsprinzipien der Helium-Leckdetektoren sollen nun die mit diesen Geräten durchführbaren Prüfverfahren erklärt werden. Welches der möglichen Verfahren eingesetzt wird, richtet sich nach den Anforderungen und dem zu prüfenden Objekt. Dabei wird je nach dem Druck im Prüfling und nach den gestellten Bedingungen unterschieden zwischen: dem Vakuumverfahren bei diesem wird das Prüfobjekt evakuiert und laufend abgesaugt. Das Gas strömt durch vorhandene Lecks aus der Umgebung, meistens der Atmosphäre, in den Vakuumraum und weiter durch den Detektor ins Freie. dem Überdruckverfahren dabei wird im Prüfobjekt gegenüber der Umgebung durch das Testgas Überdruck erzeugt. Bei Lecks strömt das Gas aus dem Objekt ins Freie. Mit beiden Verfahren kann: eine Dichtheitsprüfung (/ ntegraltest), zur Bestimmung der gesamten Leckrate des Prüflings, oder eine Lecksuche zur Lokalisierung der Leckstelle und Messen der Leckrate, durchgeführt werden. Meistens wird der Anwender des zu prüfenden Objektes festlegen, was und nach welchem Verfahren geprüft werden soll und wie groß die noch zulässige Leckrate sein darf. Wenn möglich sollte das Prüfverfahren dem späteren Einsatz des Prüfobjektes entsprechen. So sollten Bauteile für Vakuumanlagen nach dem Vakuum- und solche für Überdruckanlagen nach dem Überdruckverfahren geprüft werden. Dies ist besonders wichtig, wenn an dem zu prüfendem Objekt Dichtungen für nur eine Druckrichtung vorhanden sind. Da der Helium-Leckdetektor im Bereich und für die Vakuumtechnik entwickelt wurde und selbst eine kleine Hochvakuum..: Anlage darstellt, wurde er zuerst nur nach dem Vakuumverfahren eingesetzt. Um mit dem Gerät auch nach den Überdruckverfahren zu arbeiten, mußten Zusatzeinrichtungen geschaffen wer- 55 <?page no="68"?> den, durch die Gas aus der Atmosphäre angesaugt und gleichzeitig auf den für den Detektor zulässigen Einlaßdruck reduziert wird. Dies wird durch eine Drosselstelle in diesem Zusatzgerät, dem Schnüffler, erreicht. Die Handhabung dieser Schnüffler und die Auswertung der Meßergebnisse erfordern besondere Kenntnisse. Näheres dazu bei der Beschreibung der Überdruckverfahren 4.1. Das Vakuumverfahren Beim Vakuumverfahren strömt bei vorhandenen Lecks das Gas aus der Umgebung in das Prüfobjekt, wird durch die angeschlossene Vakuumpumpe des Detektors laufend abgepumpt und dabei der Heliumgehalt des Gases im Massenspektrometer gemessen. Die Druckdifferenz am Leck beträgt dabei immer 1 bar. Ist nur der Leckdetektor als Pumpe angeschlossen, strömt alles Gas durch ihn, dann spricht man vom: Hauptstromverfahren dabei entspricht bei fast allen Detektoren die gemessene und angezeigte Leckrate der wirklichen. Ist der Leckdetektor parallel zu einer größeren Vakuumpumpe angeschlossen, strömt nur ein Teil des abgepumpten Gases durch den Detektor, dann prüft man nach dem: Teilstromverfahren dabei muß die wirkliche Leckrate aus der gemessenen Rate mal einem Korrekturfaktor "K" berechnet werden. Beide Verfahren laufen in zwei unterschiedlichen Arbeitsgängen ab: 1. Dem Vorevakuieren des Prüflings durch eine Hilfspumpe auf den zulässigen Einlassdruck des Leckdetektors. 2. Dem Prüfvorgang, bei dem der Detektor angeschlossen ist und das Gas aus dem Prüfling in ihn gelangt. Obwohl die eigentliche Prüfung durch das Vorevakuieren nicht beeinflußt wird, sollen dazu einige Hinweise gegeben werden, da die Pumpzeit, besonders bei Objekten mit großem Volumen, wenn nicht sehr große Pumpsätze eingesetzt werden, viel länger als die eigentliche Prüfzeit ist. Zur Ermittlung der benötigten Zeit werden die dazu notwendigen Formeln und Hinweise für die Praxis angegeben. Für den Druckbereich von 1000 bis 0,05 mbar, also Grob- und Feinvakuum, kann die Auspumpzeit "t'' verhältnismäßig genau aus dem Volumen "V" des Vakuumraumes, dem Saugvermögen "S 8t1" am Prüfling, dem Anfangs- "Po" und Enddrucks "p 1" berechnet werden nach: t = V/ S 8 t1 * In Po/ P1 ( 11) 56 <?page no="69"?> Bei der Berechnung der Pumpzeit muß das Saugvermögen im gesamten Druckbereich konstant sein, sonst muß die Berechnung in einzelne Abschnitte mit konstantem Saugvermögen zerlegt werden. Für die Praxis genügt es das Saugvermögen der Pumpe einzusetzen, ebenso kann die Drosselung des Saugvermögens durch die Leitungen vernachlässigt werden, wenn die Nennweite gleich oder größer als der Anschluß der Pumpe ist. Der erreichbare Enddruck (Ausgleichsdruck) "PE" ist von der aus dem Prüfling kommenden Gasmenge "qd' und dem Saugvermögen der Pumpe abhängig und beträgt: (12) Das Saugvermögen ist vom Druck abhängig. Es kann aus einer, vom Hersteller meist angegebenen, Saugvermögenskurve entnommen werden. Soll das Prüfobjekt auf einen Druck kleiner 0,01 mbar evakuiert werden, kann die genaue Auspumpzeit nur nach aufwendigen Berechnung ermittelt werden. Dazu müssten bekannt sein: das Volumen, die Oberfläche sowie die Entgasungs- und Leckrate des Vakuumraumes. Zur Abschätzung der Pumpzeit "t'' im Hochvakuum bis zum Druck "p" unter grober Berücksichtigung der Entgasung wird in Unterlagen der Vakuumtechnik angegeben: t = V/ S * C/ p (13) In dieser Formel wird durch den Faktor "C" der Gasanfall berücksichtigt. C liegt zwischen 0, 1 bei verschmutzter und 0,01 bei sehr sauberer innerer Oberfläche des Objektes. Um mit diesen Formeln zur Auspumpzeit ein für die Praxis brauchbares Ergebnis zu erhalten, muss das Endvakuum "PE" der eingesetzten Vakuumpumpen um mindestens 2 Zehnerpotenzen niedriger als der gewünschte Druck liegen ("PE" nach Angabe der Hersteller). Während die Auspumpzeit wohl für die gesamte zur Prüfung notwendige Arbeitszeit interessant ist, sind für die eigentliche Prüfung, besonders für die Lecksuche durch Absprühen, drei andere Zeiten für das Ergebnis sehr wichtig. Die Totzeit Die Zeit vom Besprühen der Leckstelle mit 100 % Helium bis zum Ansprechen des Meßgerätes im Leckdetektor. Die Ansprechzeit Die notwendige Sprühzeit damit 63 % der Leckrate dieses Lecks angezeigt werden. Die Einstellzeit (Ausgleichszeit, Zeitkonstante): Die Zeit beim Beaufschlagen der Leckstelle mit 100 % Helium bis 95 % der Leckrate angezeigt werden. 57 <?page no="70"?> Auch diese Zeiten können mit einfachen Formeln ausreichend genau bestimmt werden. Die Kenntnis der Tot- und Ansprechzeit sind besonders bei der Lecksuche sehr wichtig, damit die vermuteten Leckstellen lange genug mit Testgas besprüht werden, um eine sichere Anzeige zu erhalten. Die Totzeit ''tT" wird berechnet aus dem Volumen "V" des Prüflings, dem Saugvermögen "S" der Pumpe, der Leckrate "qL" und der Empfindlichkeit "qLE" des Detektors nach der Formel: (14) Zu dieser berechneten Zeit kommt noch die Reaktionszeit des Gerätes, die meistens kleiner 0,5 s ist, und die Zeit bis das Testgas das Leck durchströmt hat. Diese Zeit kann bei sehr langen und feinen Kanälen, wie sie in Flachdichtungen (z.B. Klingerit, Gummidichtungen mit Gewebeeinlage ) auftreten einige Sekunden betragen. Soll nicht nur die Leckstelle lokalisiert, sondern auch die Leckrate bestimmt werden, muss die Einstellzeit bekannt sein. Wird ein Leck, durch das bisher Luft in den Prüfling strömte, mit Testgas beaufschlagt, steigt der Partialdruck des Testgases nicht schlagartig sondern nach einer e-Funktion bis zum max. Wert an. Der max. erreichbare Druck "PHe" ist von der Leckrate und dem Saugvermögen der Pumpe abhängig und beträgt: (15) Der Anstieg des Partialdruckes kann nach folgender Formel berechnet werden: Danach beträgt die angezeigte Leckrate nach der Einströmzeit ''t" bei Beaufschlagen mit 100 % Helium: qLA = qL * (1 e·S*W) mbar*l/ s (17) Schnell zu ermitteln sind zwei Werte, die Zeit bis 63 % und 95 % des max. Partialdruckes des Testgases und damit der angezeigten Leckrate erreicht sind: te3 = V/ SHe und tg 5 = 3 * V/ SHe Sekunden (18 und 19'} In Bild 4.1 ist der Verlauf der Anzeige "qLA" in % von "qL" in Abhängigkeit von der Einströmzeit als Vielfaches von ''V/ S" aufgetragen. Diese Hinweise und Formeln gelten sowohl für das Hauptstromwie auch das Teilstromverfahren. Sie zeigen auch, daß die bei einer Prüfung maßgeblichen Zeiten von dem Verhältnis Volumen des Prüflings zum Saugvermögen der Vakuumpumpe für das Testgas bestimmt werden. Um in einigen Sekunden ein aussagefähiges Ergebnis zu erhalten, muß das Saugvermögen der Pumpe in "1/ s" in der Größe des Volumens in "I" des Prüfobjektes liegen. 58 <?page no="71"?> 100 ~ -- 80 ~ .,.,.,- / " V 60 ~ / 40 / J 20 / / / 0 0 2 J 4 V/ S Bild 4.1: Anstieg des Heliumpartialdruckes, damit der Leckratenanzeige "qA" in % vom max. Wert der Leckrate in Abhängigkeit von der Sprühzeit als Vielfaches von V/ S. (Formel 16 und 17) Das Saugvermögen der Leckdetektoren für Helium beträgt bei Geräten nach dem Hauptstromprinzip 5 bis 20 1/ s bei einem zulässigem Einlassdruck von 1 bis 2*10-4 mbar und bei Geräten nach dem Gegenstromprinzip ca. 0,5 1/ s bei einem max Einlassdruck kleiner 0,4 mbar, für ein einwandfreies Meßergebnis sollte der Druck bei 0, 1 mbar liegen. Falls die zur Berechnung der Einstellzeit notwendigen Werte nicht bekannt sind, kann die Größe der Leckrate auch durch Besprühen der Leckstelle mit 100 % Testgas bis zur max. Anzeige ermittelt werden. Diese drei Vorgänge: - Evakuieren des Prüflings -Ansprechen des Detektors auf das einströmende Testgas - Bestimmung der Leckrate sind die wichtigsten Punkte der Lecksuche und der Dichtheitsprüfung nach den Vakuumverfahren. Deshalb werden nach der Beschreibung der verschiedenen mit dem Helium-Leckdetektor möglichen Prüfverfahren Beispiele aus der Praxis 59 <?page no="72"?> mit den technischen Werten handelsüblicher Geräte und üblicher Prüfobjekte zusammengestellt. 4.1.1. Das Hauptstromverfahren Bei dem Hauptstromverfahren wird der gesamte aus dem Prüfling kommende Gasstrom durch die Vakuumpumpen des Detektors abgesaugt. Dadurch gelangt auch alles durch ein Leck in den Prüfling einströmende Testgas in den Detektor und wird entsprechend dem Aufbau des Gerätes (Haupt- oder Gegenstromprinzip) vom Massenspektrometer erfasst. Der sich aus der Leckrate und dem Saugvermögen der Pumpe einstellende Testgasdruck erreicht das Maximum (Formel 15), und die kleinste erfassbare Leckrate entspricht der Empfindlichkeit des Gerätes. Deshalb sollte, wenn möglich das Hauptstromverfahren für Prüfungen nach den Vakuumverfahren eingesetzt werden. Die Leckratenanzeige der meisten Helium-Leckdetektoren ist für dieses Verfahren eingestellt. Beim Ablesen entspricht der in mbar*l/ s angezeigte Wert der einströmenden Testgasmenge, dieser Wert ist aber nicht immer die Leckrate des beaufschlagten Lecks. Um die Größe der Leckrate zu erhalten, muß die Leckstelle mit 100% Helium bis zum Maximalwert (Einstellzeit) beaufschlagt werden. Da das Saugvermögen am Anschlußflansch des Detektors nur einige Liter pro Sekunde beträgt, können größere Objekte über 2 Liter Volumen (je nach Gerät), selbst bei abgesperrtem Hochvakuumteil (Massenspektrometer), durch die Vorpumpe nicht von Atmosphäre auf den Einlaßdruck des Detektors evakuiert werden. Deshalb muß das Vorevakuieren mit einer Hilfspumpe erfolgen. In Bild 4.2 ist der Aufbau zur Lecksuche nach dem Hauptstromverfahren schematisch dargestellt. Diese Kombination, Detektor und Hilfspumpe, kann auch als ein Gerät aufgebaut sein (Tischgerät wie in Bild 3.17 gezeigt). Dies hat den Vorteil, daß bei erreichen des für den Detektor zulässigen Einlaßdruckes automatisch umgeschaltet wird. Die Hilfspumpe richtet sich nach den mit diesem Gerät zu prüfenden Objekten, die Größe der Pumpe ist aber begrenzt. Für Prüflinge mit großem Volumen (über 1 m3) ist es günstiger eine getrennte Anlage aufzubauen, da sonst mit den Pumpen der Tischgeräte, wie sie von den Herstellern angeboten werden, die Vorpumzeit im Verhältnis zur Prüfzeit zu lang wird. Die Auspumpzeit wird nach Formel 11 mit dem Saugvermögen der Hilfspumpe berechnet. Sobald im Detektor der für die Prüfung zulässige Druck im Massenspektrometer und im Einlaß erreicht ist kann die Lecksuche oder Messung der Gesamt-Leckrate beginnen. Dabei ist es wichtig je nach Art der Prüfung, Lecksuche oder lntegraltest, die folgenden drei Zeiten durch Berechnung oder Messen zu ermitteln: die Totzeit nach Formel 14 die Ansprechzeit t 63 nach Formel 1B die Einstellzeit t95 nach Formel 19 60 <?page no="73"?> 1 Prüfling 2 Lecltdetelttor 3 Ventil zu■ Detektor 4 Hilfspuape, 2 stufig 5 Ventil zur Pumpe 6 Vakuu■■eter zur Steuerung der Ventile 3 und 5 7 Heliu■strahl bei der Lecksuche. 3 Bild 4.2: Prüfanordnung zur Lecksuche nach dem Hauptstromverfahren mit Helium-Leckdetektor und Hilfspumpe zum Vorevakuieren Zur Bestimmung der Leckrate aus der Anzeige des Detektors muß auch beim Hauptstromverfahren außer der Einstellzeit der Heliumanteil im Testgas berücksichtigt werden, bei reinem Helium (100%) entspricht die Anzeige "qLA" der Leckrate "qL"· Bei x % Helium im Testgas ist die Leckrate größer und zwar um 100/ xProzent. qL = qLA * 100/ x mbar*l/ s bei x % He Das Saugvermögen des Detektors begrenzt den Einsatz des Hauptstromverfahrens. Ist der Gasanfall aus dem Prüfobjekt größer als die Saugleistung (pV- Durchfluß) des Detektors kann der zulässige Einlaßdruck nicht gehalten werden. Da der Gasanfall nicht nur vom Volumen und der Oberfläche des Prüflings sondern auch von der Vorbehandlung und Reinheit des Vakuumraumes abhängig ist, kann keine Angabe über das Verhältnis Saugleistung zum Volumen des Objektes gemacht werden. Die Prüfung muß nach einem anderem Verfahren, dem Teilstromverfahren, durchgeführt werden. 4.1.2. Hauptstromverfahren mit Transportpumpe Um die Ansprechzeit des Leckdetektors bei der Lecksuche nach dem Hauptstromverfahren an Objekten mit großem Volumen zu verkürzen, kann vor den Detektor eine Pumpe mit größerem Saugvermögen gesetzt werden. Bei der Auswahl dieser Pumpe sind wieder einige Punkte der Vakuumphysik zu beachten. 61 <?page no="74"?> 1 Prüf! ing 2 Hi 1f spumpe 3 Transportpu■pe 4 Ventil zu 2 5 Vorvakuuadruck 6 Hochvakuu■druck 7 Leckdetektor mit 8 Vorpu■pe und 9 Turbomolekularpumpe 10 Massenspektrometer 11 Einlaßdruck 12 Einlaßventil Bild 4.3: Prüfaufbau zum Hauptstromverfahren mit Transportpumpe Nach dem Gesetz: p * V = konstant, erweitert auf: pV-Durchf/ uß (Saugleistung) = konstant darf die Transportpumpe keine größere Gasmenge fördern als vom Detektor beim zulässigem Einlaßdruck abgepumpt wird. Deshalb eignen sich die Geräte mit großer Saugleistung bei hohem Einlaßdruck besonders gut für dieses Verfahren. Das sind die nach dem Gegenstrom-Prinzip arbeitenden Detektoren mit einer Saugleistung von 0,05 mbar*l/ s bei einem Einlaßdruck von 0, 1 mbar. Die Saugleistung der Geräte nach dem Hauptstrom-Prinzip liegt bei 0,001 mbar*l/ s bei einem Einlaßdruck von ca. 1*10-4 mbar. Für die Berechnung der Tot-, Ansprach- und Einstellzeit gelten die gleichen Formeln wie bei dem Hauptstromverfahren, nur wird für "S" das Saugvermögen der Transportpumpe eingesetzt. Die Empfindlichkeit "E" (kleinste nachweisbare Leckrate) wird bei diesem Verfahren nicht verändert. Bild 4.3 zeigt den Aufbau nach diesem Verfahren. Der Arbeitsablauf beginnt mit dem Vorevakuieren des Prüfobjektes durch die Transportpumpe 3 oder bei einem Pumpsatz durch Transport- und Hilfspumpe 2, dabei ist das Einlaßventil 12 des Detektors geschlossen. Ist nach den Vakuummetern 5 und 6 der zulässige Einlaßdruck des Detektors erreicht, wird das Ventil 12 langsam geöffnet und Ventil 4 zur Hilfspumpe geschlossen. Der aus dem Prüfling kommende Gasstrom fließt durch den Detektor, das Gerät arbeitet nach dem Hauptstromverfahren, es gelten die gleichen Gesetze wie unter 4.1.1 aufgeführt. Das Arbeiten mit nur einer Pumpe zum Vorevakuieren. und als Transportpumpe bereitet einige Schwierigkeiten weil, solange vorevakuiert wird, auf der Druckseite der Pumpe, an die der Leckdetektor zum Prüfvorgang angeschlossen wer- 62 <?page no="75"?> 1 Prüfling 2 Hilfspuape 3 Leckdetektor 4 Dosierventil 5 Druck H-Stro■ 6 Druck T-Stro ■ 7.Testleck ■ it Absperrventil Bild 4.4: Prüfaufbau zur Lecksuche nach dem Teilstromverfahren den muß, Atmosphärendruck herrscht. Dies bedeutet, der Auspuffraum der Transportpumpe (z.B. einer 2stufigen Drehschieberpumpe) muß durch den Detektor oder eine zusätzliche Pumpe auf den Einlaßdruck evakuiert werden sobald im Prüfling nach Vakuummeter 6 der für die Prüfung notwendige Druck erreicht oder unterschritten ist. Deshalb wurde in Bild 4.3 ein Pumpsatz aus Transport und Hilfspumpe eingesetzt. Das Prinzip der Transportpumpe ist heute in den Helium-Leckdetektoren mit 2 Hochvakuumpumpen oder einer 2 flutigen Turbomolekularpumpe verwirklicht. 4.1.3 Das Teilstromverfahren Reicht das Saugvermögen des Leckdetektors nicht aus, um bei dem Gasanfall aus dem Vakuumraum den notwendigen Betriebsdruck des Detektors zu erreichen, muss das Teilstromverfahren eingesetzt werden. Dabei strömt nur ein Teil des Gasstromes durch den Detektor, der größere Anteil wird durch die parallel arbeitende Hilfspumpe abgesaugt. In Bild 4.4 ist der Aufbau zum Teilstromverfahren schematisch dargestellt. Im Abschnitt 3.3.1 wurde bei der Beschreibung der Tischgeräte schon auf dieses Verfahren hingewiesen. Während bei diesen Geräten der Detektor und die Hilfspumpe mit der Elektronik eine Einheit bilden und aufeinander abgestimmt sind, müssen beim Einsatz eines Detektors mit unterschiedlichen Hilfspumpen die Grundlagen zur Bestimmung der Auspump- und Ansprechzeit sowie der Leckrate für jeden Betriebszustand ermittelt werden. Zur besseren Erklärung dieser Grundlagen eine kurze Beschreibung des Arbeitsablaufes beim Teilstromverfahren (nach Bild 4.4): Nachdem der Prüfling 1 durch die Hilfspumpe 2 auf den Ausgleichsdruck (das ist der sich aus dem Gasanfall des Prüflings und dem Saugvermögen der Pumpe einstellende Druck) gemessen mit Vakuummeter 5, evakuiert wurde und der 63 <?page no="76"?> Leckdetektor prüfbereit ist, kann aus dem Hauptstrom "qH" über das Dosierventil 4 Gas in den Detektor eingelassen werden. Dabei wird die Gasmenge "qT" auf den zulässigen Einlaßdruck des Detektors, gemessen mit Vakuummeter 6, das bei vielen Geräten eingebaut ist, und damit auf den max. p*V-Durchfluß eingestellt. Die Prüfung kann beginnen. 1. Auspumpzeit Nach (Formel 12) Abschnitt 4.1 beträgt die Auspumpzeit t = V/ Sen*ln pofp 1 Sekunden, wenn V in Liter und S in 1/ s eingesetzt wird, Po = Anfangsp 1 = Enddruck für Seif gilt das Saugvermögen der Hilfspumpe. 2. Ansprechzeit Nach (Formel 18) Abschnitt 4.1 beträgt diese Zeit te3 = V/ SHe Sekunden, darin wird wie unter 1. das Saugvermögen der Hilfspumpe für Helium eingesetzt. 3. Leckrate: Zur Bestimmung der Leckrate sind einige Vorarbeiten notwendig. Nach (Formel 7) Abschnitt 3.1.3. wird die Leckrate im Detektor ermittelt nach: qL = PHe *SHe mbar*l/ s, wenn PHe der Heliumpartialdruck und Sen das Saugvermögen für Helium an der Druckmeßstelle sind. Der Heliumdruck wird von der Heliummenge gleich "qL" und "SHe" bestimmt. Da nur ein Teil des Heliums durch den Detektor strömt und der meist größere Teil von der Hilfspumpe abgesaugt wird, entspricht die durch den Detektor angezeigte Rate nicht der wirklichen. Das Verhältnis wirkliche durch angezeigte Leckrate wird als Korrekturfaktor "k" bezeichnet. (21) damit ist: qL = qLA * k mbar*l/ s (22) Das gleiche Verhältnis besteht auch zwischen dem p*V-Durchfluß von Hauptdurch Teilstrom: (23) Da das Arbeiten nach dem Teilstromverfahren nicht nur bei der Lecksuche an Vakuumanlagen sondern auch bei der Prüfung von Bauteilen nach dem Vakuumverfahren sehr oft eingesetzt werden muß, sollen die dabei notwendigen Arbeiten beschrieben werden. Bild 4.5 zeigt schematisch den Aufbau nach dem Teilstromverfahren mit einem Pumpsatz aus Wälzkolben- und Drehschieberpumpe. An Hand dieses Prüfaufbaues sollen die zur Prüfung notwendigen und zu beachtenden Einzelheiten erklärt werden. 64 <?page no="77"?> 1 Prüfling 2 Leckdetektor 3 Hilfspumpe, Wälzkolben 4 Hilfspumpe, Drehschieber 5 Vakuummeter, Prüfling 6 Vakuummeter, Hauptstrom 7 Dosierventil 8.Vakuummeter, Teilstrom 9 Testleck mit Helium 10 Heliumstrahl zur Lecksuche 11 Absperrventil zum Prüfling 12 Drosselventil für Hauptstrom qH Hauptstrom qT Teilstrom 0 Bild 4.5: Aufbau zur Prüfung nach dem Teilstromverfahren mit Helium-Leckdetektor und Hilfspumpsatz zum laufenden Auspumpen des Prüflings 1. Die Auspumpzeit muß für die beiden Pumpen nacheinander berechnet werden, weil die Wälzkolbenpumpe erst im Bereich kleiner 10 mbar arbeitet. Als Grundlage zur Berechnung werden die Angaben des Herstellers der Pumpen eingesetzt. 2. Für die Ansprechzeit gilt das Saugvermögen der Pumpe 3 bei dem vom Vakuummeter 5 angezeigtem Druck. 3. Bei der Prüfung wird zwischen: a) der Lecksuche zur Lokalisierung der Leckstelle und b) der Lecksuche mit Bestimmung der Leckrate unterschieden. Im Falle 3a ist es nur notwendig die Ansprechzeit und die kleinste noch erkennbare Leckrate (Empfindlichkeit "Ers") zu bestimmen. Diese wird nach der Formel (24) berechnet (Empfindlichkeit bei Hauptstrom "EHs, nach Angabe des Herstellers mal Korrekturfaktor "k". Ers = EHs * k mbar*l/ s (24) Wird kein genauer Wert für die Leckrate "qL" gefordert, kann "k" aus der Saugleistung (p*V-Durchfluß) der Drehschieberpumpe 4 bei dem durch Vaku- 65 <?page no="78"?> Kurve 1: Anstieg des Helium-Partialdruckes nach Wechsel von Luftauf Heliumeinströmung 10 durch ein Leck oder Testleck (Jr--,---r----r---r====--i ohne Gasvorrat. Formeln 17 und 18. Kurve 2: Anstieg und Abfall des Heliumdruckes nach Öffnen des Ventils bei einem Testleck mit Heliumvorrat. 0 V/ S x 1 2 3 4 Bild 4.6: Verlauf des Helium-Partialdruckes in einem evakuierten Prüfling und damit der Leckratenanzeige in einem angeschlossenen Helium-Leckdetektor in % der Leckrate in Abhängigkeit von der Einströmzeit als Vielfaches von Volumen durch Saugvermögen (V/ S) ummeter 6 angezeigtem Druck durch die Saugleistung des Detektors 2 bei dem durch Vakuummeter 8 angezeigten Druck (beide Saugleistungen nach Angaben des Herstellers) nach (Formel 23) berechnet werden. Soll die Prüfung 3b durchgeführt werden, muß der Korrekturfaktor möglichst genau bestimmt werden und dazu die Einstellzeit ''t 95" bekannt sein. Bestimmen von "k" und "t 95" durch Messung. Die einfachste und genauste Methode diese beiden Werte zu erhalten, erfolgt durch Messen der Leckratenanzeige im Detektor bei einer bekannten in den Prüfling strömenden Heliummenge und dem Messen der Zeit vom Heliumeinlaß bis zum Erreichen einer konstanten Anzeige. Dazu dient das am Prüfling angebrachte Testleck 9. Wie in Abschnitt 3.4.3 beschrieben gibt es zwei verschiedene Ausführungen von Testlecks, Lecks mit Gasvorrat und Absperrventil und Kapillarlecks ohne Gasvorrat. Diese beiden Hilfsmittel für Dichtheitsprüfungen mit dem Heliumdetektor ergeben beim Öffnen des Ventils oder Beaufschlagen mit Helium ganz unterschiedliche Anstiegswerte des Heliumpartialdruckes im Prüfling und damit auch in der Anzeige des Detektors. Bild 4.6 zeigt diese dabei entstehenden typischen Kurven. Zum Messen der Anprech- und Einstellzeit ist nur das Testleck ohne Ventil und Gasvorat geeignet. 66 <?page no="79"?> Zur Bestimmung des Korrekturfaktors können beide Typen der Testlecks eingesetzt werden, es ist aber sehr wichtig, daß die Leckrate ausreichend groß ist, damit die Anzeige im Detektor möglichst in der Mitte des Meßbereiches liegt. Mit Hilfe dieses ermittelten Wertes für den Korrekturfaktor "k'' und der aus der Skala des Meßgerätes für die Leckrate möglichen Ablesegenauigkeit sowie die Angaben des Herstellers zur Empfindlichkeit des Detektors, kann die kleinste noch erfassbare Leckrate bei diesem Prüfaufbau nach der (Formel 23) berechnet werden. Dabei muß aber auf konstanten Druck und damit auf gleichbleibende Saugleistung von Hilfspumpe und Leckdetektor geachtet werden. Ändert sich auch nur ein Gasstrom muß "k" neu bestimmt werden. Bleibt der Prüfaufbau zur Prüfung mehrerer Objekte gleich, kann mit Hilfe einer vorher erstellten Meßreihe bei gleichbleibendem Gaseinlaß (Teilstrom) in den Leckdetektor (durch Einstellen des Dosierventils) der Korrekturfaktor "k" in Abhängigkeit von dem im Hauptstrom herrschenden Druck gemessen und eine Kurve erstellt und daraus "k'' bei den Prüfungen entnommen werden, wenn der Gasstrom in den Detektor konstant eingestellt wird. Diese Betrachtungen zeigen, daß um auch beim Teilstromverfahren eine hohe Empfindlichkeit des Detektors zu behalten, der Korrekturfaktor klein sein muß. Damit dies der Fall ist, muß der Leckdetektor immer mit dem max. zulässigen Gasstrom versorgt werden, dazu ist es notwendig, daß der Druck im Hauptstrom höher als der zulässige Einlaßdruck des Detektors ist. Sollte das nicht der Fall sein, muß das Saugvermögen der Hilfspumpe gedrosselt werden. Da der Gasanfall aus dem Prüfling sich dadurch nicht ändert, steigt der Druck. Diese Einstellung ist oft beim Prüfen von Hochvakuumanlagen mit Detektoren nach dem einfachen Gegenstromprinzip notwendig. Wird die Hilfspumpe für die vorgesehene Prüfung ausgewählt, kann sie nach den geforderten Auspump- und Ansprechzeiten sowie nach der noch erfassbaren Leckrate bestimmt werden Zur Berechnung der einzelnen Punkte wird von der noch zulässigen Leckrate ausgegangen. Der Ablauf der Berechnungen ist folgender. 1. Aus der noch zugelassenen Leckrate und der Empfindlichkeit des Detektors wird der Korrekturfaktor "k'' nach Formel 24 bestimmt, denn die Empfindlichkeit "Ers" muß gleich, besser kleiner als die zulässige Leckrate "qLz"sein: 2. Mit diesem "k" und der bekannten max. Saugleistung "So" des Detektors, die gleich dem pV-Durchfluß "qrs" des Teilstroms ist wird der zulässige pV- Durchfluß "qHs" des Hauptstromes nach (Formel 23) berechnet: qHS = k * q75 mbar*l/ s 3. Nach diesem max. zulässigem "qHs" wird die Hilfspumpe mit der passenden Saugleistung "Sp" möglichst im Feinvakuumbereich ausgesucht. Dazu muß der voraussichtliche Gasanfall aus dem Prüfling berücksichtigt werden. Der 67 <?page no="80"?> Druck im Hauptstrom muß über dem zulässigem Einlassdruck des Detektors liegen. Ein Hinweis aus der Praxis: "Ist der Prüfling sauber und trocken und soll der Druck nicht unter 0,5 mbar liegen, wird der laufende Gasanfall nur durch vorhandene Lecks bestimmt." Um diesen Druck zu erhalten, sollte ein Drosselventil (Kugelhahn) vor die Hilfspumpe gesetzt werden, um damit das Saugvermögen einzustellen. 4. Ist die Hilfspumpe bestimmt, können die Auspump- und Ansprechzeiten berechnet werden: Die Auspumpzeit nach (Formel 14). Die Ansprechzeit nach (Formel 18). liegen die Zeiten im zulässigem Bereich kann die Prüfeinrichtung wie in Bild 4.4 gezeigt eingerichtet werden. Sind die berechneten Zeiten zu lang, muß wie in Bild 4.5 gezeigt eine zusätzliche Pumpe z.B. Wälzkolbenpumpe eingesetzt werden. 5. Bevor die Prüfung beginnt, wird bei geschlossenem Absperrventil am Prüfobjekt die Dichtheit des Prüfaufbaues kontrolliert. 6. Ist der Aufbau dicht, wird das Prüfobjekt auf den Ausgleichsdruck evakuiert. Entspricht dieser im Bereich Faktor+/ - 2 dem berechnetem Wert, kann der Korrekturfaktor mit Hilfe des am Prüfling angesetzten Testlecks genau ermittelt und die Prüfung durchgeführt werden. Zu der berechneten Ansprechzeit, die durch das Saugvermögen der Hilfspumpe bestimmt wird und damit für den Hauptstrom gilt, muß noch die Laufzeit des Testgases vom Anschluß der Teilstromleitung bis zum Detektor addiert werden. Deshalb sind auch für die Ausführung dieser Leitung einige Punkte zu beachten. 1. Die Nennweite der Leitung soll die gleiche sein, wie die des Anschlußflansches am Detektors, damit das Saugvermögen nicht gedrosselt wird, dazu die wichtigsten Formeln zur Berechnung des effektiven Saugvermögens am Ende einer Rohrleitung. 68 S 8 n = (L*Sp)/ (L+Sp) 1/ s L = 135 * d 4/ I * HP1 +P2)/ 2] 1/ s L ca. 12, 1 * d3/ I 1/ s darin ist "L", für Luft bei laminarer und bei molekularer Strömung, für genaue Berechnungen in diesem Bereich muß der Clausing-Faktor mit Werten zwischen 1 und 1,12 noch berücksichtigt werden. In den Formel bedeuten: S 811 = Saugvermögen am Ende der Leitung L = Leitwert, beide in 1/ s d = Durchmesser der Leitung und 1= Länge, beide in cm <?page no="81"?> Diese Formeln sollen nur zeigen wie stark der Leitwert und damit die Drosselung des Saugvermögens vom Durchmesser der Leitung abhängt. 2. Die Drosselstelle (Dosierventil) soll möglichst dicht an der Hauptstromleitung liegen, denn der Druck des Hauptstromes liegt meistens zwischen 0,1 und 1Ombar und damit im Bereich der laminaren Strömung. Der Anschluß für das Dosierventil mit Nennweite 10 höchstens 16 wird durch die Strömung im Hauptstrom nicht erfasst, das Testgas kann nur durch Diffusion oder die Saugleistung des Detektors zum Ventil gelangen. Bei einem Anschluß DN 10 mit der Länge von 10 cm und einem Druck von 5 mbar beträgt die Diffusionszeit von Helium in Luft nach Formel 43 0,2 bei einer Länge von 1 m aber 20 Sekunden. Wird die Saugleistung des Detektors mit 0,05 mbar*l/ s angenommen betragen die Zeiten ca. 1 bei 10 cm und 40 Sekunden bei 1 m Länge. Diese Angaben zu der Anschlußleitung des Heliumdetektors an die Hauptstromleitung beim Teilstromverfahren sollen nur zeigen, warum die gegebenen Hinweise beachtet werden müssen, um optimal zu arbeiten. Eine Berechnung nach den angegebenen Formeln ist dann nicht notwendig. In den Abschnitten Prüfmethoden und Beispiele wird das Teilstromverfahren nochmals eingehend behandelt, da es bei der Lecksuche an Vakuumanlagen der Industrie immer eingesetzt werden muß. 4.2 Das Überdruckverfahren Die am häufigsten eingesetzte Methode zur Prüfung eines Objektes auf Dichtheit oder zur Lecksuche ist das Überdruckverfahren. Hier ist im Prüfling gegenüber der Umgebung ein Überdruck vorhanden. Die bekanntesten Verfahren sind, das Druckabfallverfahren, der Blasentest und die Lecksuche mit schaumbildenden Mitteln. Um den wachsenden Anforderungen nach immer genaueren Dichtheitsprüfungen zu entsprechen, bot sich der Helium-Leckdetektor mit seiner weit höheren Empfindlichkeit an. Dieses Gerät war aber in der Grundausführung nur für Vakuumverfahren geeignet. Da nicht alle Objekte nach diesem Verfahren geprüft werden können, wurden Zusatzgeräte zum Detektor entwickelt mit denen das Grundgerät auch zu Prüfungen nach Überdruckverfahren eingesetzt werden kann, denn diese Prüfmethode hat gegenüber dem Vakuumverfahren einige Vorteile. Es können auch Behälter geprüft werden, die nicht evakuiert werden dürfen. Die Feinvakuumanla9e zum Evakuieren des Prüfobjekts fällt weg. Durch Erhöhen des Uberdruckes im Prüfling wird die Gasmenge (Leckrate), die durch ein Leck austritt größer und kann bei der Lecksuche leichter gefunden werden. In vielen Fällen kann bei gleicher Empfindlichkeit mit einem Helium-Luft Gemisch als Testgas gearbeitet werden. Doch hat das Überdruckverfahren mit Helium auch einen Nachteil. Auf Grund des Heliumgehaltes der Luft von 5 ppm (5*10-3 mbar).zeigt das Meßgerät stets eine gewisse Leckrate an. 69 <?page no="82"?> Es sind auch noch einige weitere Punkte beim Arbeiten nach diesem Verfahren zu beachten. Das beginnt schon beim Füllen des Prüflings mit dem vorgesehenen Testgas. Soll das Prüfobjekt 100 % Helium enthalten, muß es vorher auf einen Druck kleiner 50 mbar evakuiert werden, bevor die Füllung erfolgen darf, der dann vorhandene Heliumanteil von 97,5 % bei 1 bar Überdruck im Prüfling reicht in der Praxis zur Bestimmung einer Leckrate aus. Soll in einen mit Luft gefüllten Prüfling als Testgas und zur Druckerhöhung Helium zugegeben werden, muss die zur Durchmischung von Helium in Luft benötigte Zeit abgewartet werden, ehe die Prüfung beginnen darf. Dies kann, abhängig von der Form des Prüflings, einige Stunden dauern. Die Durchmischung erfolgt nach den Gesetzen der Diffusion von Gasen untereinander. Um diese Zeit zu verkürzen, kann das Helium als feiner Strahl mit hohem Druck in den Prüfling geblasen werden, damit eine Verwirbelung der Gase erfolgt. Besser ist es auch bei dieser Füllung den Prüfling erst zu evakuieren und dann das im gewünschtem Verhältnis gemischte Testgas einzulassen. Ist kein gemischtes Testgas vorhanden, kann auch im Wechsel in Stufen von ca. 0,2 bar Helium und Luft eingeblasen werden. Wird Helium in einen langen und im Verhältnis engen Behälter (z.B. Rohr), der mit einem anderem Gas gefüllt ist, langsam eingeblasen, wird das vorhandene Gas als Polster weiter gedrückt. Im Prüfling gibt es dann zwei Abteilungen, eine mit Helium, die andere mit dem bereits im Behälter befindlichen Gas, in diesem zweiten Bereich wird ein vorhandenes Leck nicht feststellbar sein. Die weiteren zu beachtenden Punkte werden bei der Beschreibung der Prüfmethoden Lecksuche und Dichtheitsprüfung (lntegraltest) aufgeführt. Für beide Methoden gelten die Formeln zur Berechnung der Änderung der Leckrate, wenn im Prüfling der Überdruck oder die Gasart verändert wird (Formeln 1 bis 5 in Abschnitt 2.2.2.). Dabei muß die im Leckkanal herrschende Strömungsart beachtet werden. Die Änderung von laminarer in molekulare Strömung ist von der Größe der Leckrate und dem mittlerem Druck abhängig. Bei dem Überdruckverfahren tritt der Umschlag bei einer Leckrate zwischen 1 o-7 und 1o-s mbar*l/ s ein. In der Praxis wird man immer mit laminarer Strömung rechnen können. Zur Umrechnung dient die Formel 1. Da der Außendruck des Prüflings fast immer Atmosphärendruck (1 bar) ist kann die Formel vereinfacht werden zu: qL2 = qL 1 * (p2 - 1 )2' (p2 - 1) 1 mbar*l/ s darin ist: qL2 = zu berechnende Leckrate; qL 1 = bekannte Leckrate (p2 - 1)2 = Druckverhältnis bei qL2; (p2 -1) 1 = Druckverhältnis bei qL 1• Wird z.B. der Überdruck im Prüfling gegenüber der Atmosphäre von 1 bar (absolut 2 bar) auf 5 bar (absolut 6 bar) erhöht, steigt die Leckrate um den Faktor 11,67 an. Dadurch können kleinere Lecks gefunden, die Standzeit beim lntegraltest verkürzt oder der Heliumanteil im Testgas verringert werden, um das gleiche Ergebnis zu erhalten. 70 <?page no="83"?> Bei der Beschreibung der Lecksuche und des lntegraltestes wird auf diesen Vorteil des Überdruckverfahrens genauer eingegangen. 4.2.1 Die Zusatzgeräte zur Überdruckprüfung Nachdem der Helium-Leckdetektor in der Vakuumtechnik zum Standartgerät für die Lecksuche und Dichtheitsprüfung nach dem Vakuumverfahren an Bauteilen geworden war, wurden Zusatzgeräte entwickelt, um den Detektor auch für Prüfungen nach dem Überdruckverfahren einzusetzen. Da bei diesem Verfahren das Testgas aus dem Prüfling durch das Leck in die Umgebung strömt, muß die Luft in den Detektor eingesaugt werden. Die zum Saugen benötigte Pumpe ist zwar im Detektor vorhanden, doch darf der Arbeitsdruck des Massenspektrometers (Kapitel 3.1.2) nicht überschritten werden. Weil die ersten Leckdetektoren alle nach dem Hauptstromprinzip (Kapitel 3.2.1) arbeiteten war eine Einrichtung notwendig, durch die der Atmosphärendruck auf den zulässigen Einlaßdruck des Detektor reduziert wurde; dies bedeutete von 1000 auf kleiner 1*10-4 mbar zu drosseln. Da in der Vakuumtechnik Drossel-/ Nadelventile vorhanden waren, die diese Bedingung erfüllten, wurden sie mit einem Schlauch an den Detektor angeschlossen. Zum Arbeiten wurde das Ventil auf den für den Detektor zulässigen Einlaßdruck eingestellt. Die vom Detektor angesaugte Gasmenge ist sehr klein, sie liegt bei den Geräten nach dem Hauptstromprizip im Bereich von 1*10-4 bis max 2*10-3 mbar*l/ s, das sind 0, 1 bis 2,0 mm3 (NPT)/ s. Das Drosselventil durfte auf der Saugseite keinen Totraum haben und mußte die Leckstelle genau treffen, um das Leck zu finden. Diese Nadelventile sind auf Grund der präzisen Fertigung teuer und anfällig gegen Beschädigungen. Es wurden einfache und billige Drosseleinrichtungen erprobt z.B. Kapillarröhrchen, an der Spitze zusammengedrückte· Kupferrohre, Sinterkörper oder für Helium durchlässige Folien. Da der Strömungswiderstand einer Leitung druckabhängig ist und mit fallendem Druck stark ansteigt, verlängert sich auch die Laufzeit der Gasteilchen von der Drosselstelle bis zum Detektor. Um trotz dieses Effekts eine brauchbare Ansprechzeit zu erhalten, wird die Leitungslänge begrenzt. Bei dieser Länge und dem Durchmesser der Leitung von einer Stufe unter dem Anschlußflansch des Detektors beträgt die Ansprechzeit ca. 1 Sekunde. Durch die Einführung der Leckdetektoren nach dem Gegenstromprinzip, deren Einlaßdruck im Feinvakuumbereich liegt, stieg die durch den Schnüffler angesaugte Gasmenge auf 0,05 cm3 (NPT)/ s an. Dadurch konnte die Drossel gröber und der Durchmesser des Schlauches kleiner gehalten werden. Um auch bei längeren Leitungen eine kurze Ansprechzeit zu erreichen, wurde eine kleine zusätzliche Pumpe eingesetzt und die Drosselstelle an den Einlaß des Detektors verlegt. Die von der Gasförderpumpe durch den Schnüffler angesaugte Gasmenge liegt im Bereich von 2 cm3 (NPT)/ s, der Druck fällt durch den Strömungswiderstand der Leitung vom Schnüffler bis zum "Separator'' stark ab, deshalb kann auch hier die Drossel größer ausgebildet sein. Durch den Separa- 71 <?page no="84"?> Bild 4.7: Prinzip eines Schnellschnüfflers LD Detektor SS Schnüffler 1 Spektrometer 2 HV-Pumpsatz für Detektor 3 Schnüfflerspitze 4 Seperator 5 Gasförderpumpe tor als Drosselstelle tritt die max. zulässige Gasmenge in den Detektor ein. Bild 4.7 zeigt das Schema eines solchen Gerätes. Diese unter verschiedenen Namen angebotenen Geräte haben bei einer Länge der Saugleitung von 5 - 50 m eine Ansprechzeit von 1 bis zu 20 Sekunden. Die bekantesten Namen sind: Super-, Fern-, Quick-Schnüffler. In der von dem Schnüffler angesaugten Luft sind 5 ppm Helium enthalten, das sind bei 1 bar Luftdruck 5*10-3 mbar Heliumdruck. Damit zeigt der für Vakuumverfahren eingerichtete Detektor eine Leckrate an. Wird der Heliumanteil im angesaugtem Gas größer, steigt auch die Anzeige. Dieser Wert gibt aber nicht eine Leckrate sondern nur den Heliumdruck im angesaugtem Gas an, der z.B durch Vergleich mit den 5*10-3 mbar Helium der Luft berechnet werden kann. Da die Anzeigegeräte der Leckrate fast alle mit einer Skala von 10 oder 100 Teilen versehen sind und die Umschaltung der Empfindlichkeit mit dem Faktor 10 (eine Zehnerpotenz) durchgeführt wird, kann die Anzeige des Detektors in "mbar Helium" pro Skalenteil festgelegt werden. Bei dieser Justierung darf die angesaugte Luft nicht durch Helium angereichert sein. Wird in Räumen geprüft, muss der Schnüffler in die freie Atmosphäre gehalten werden. Eine andere Möglichkeit die Empfindlichkeit zu bestimmen, ist die Herstellung einer Gasmischung mit bekanntem Heliumanteil, die anstelle der Luft angesaugt wird. Diese Methode hat den Vorteil, daß der Heliumdruck im Gas so eingestellt wird, daß die Anzeige des Detektors in der Mitte des Meßbereichs dieses Gerätes liegt. Bei der Beschreibung der Prüfmethoden wird die Bestimmung der Leckrate aus Anzeige des Detektors und ermittelter Empfindlichkeit an Beispielen aufgezeigt. 72 <?page no="85"?> 4.2.2. Bestimmen der Empflndllchkelt Um den Detektor mit angeschlossenem Schnüffelsystem nicht nur zur Lokalisierung der Leckstelle, sondern auch zur Bestimmung der Leckrate einzusetzen, muß die Empfindlichkeit des Gerätes festgestellt werden. Die meisten Helium-Leckdetektoren besitzen ein Anzeigegerät, das die Leckrate in "mbar*l/ s" angibt. Der angezeigte Wert gilt aber nur beim Einsatz des Detektors im Vakuum-Hauptstrom-Verfahren, wenn das Leck mit 100% Helium beaufschlagt und die Einstellzeit eingehalten wird. In dem Gerät wird die Leckrate aus dem gemessenem Heliumpartialdruck und dem Saugvermögen für Helium an der Meßstelle ermittelt (Abschnitt 3.1.3. Formel 7). Ist diese Bedingung nicht gegeben, muß die Leckrate nach der Anzeige und einem vorher bestimmten Umrechnungsfaktor berechnet werden. Bei einem Detektor mit angeschlossenem Schnüffelsystem fließt, durch die Drosselstelle/ Separator laufend Gas, meistens Luft, in das Meßsystem, das in dem Gas/ Luft Gemisch enthaltene Helium führt zu einer Anzeige der Leckrate. Steigt der Heliumanteil im angesaugtem Gas, steigt auch die Anzeige. Doch entspricht dieser Anstieg nicht direkt der Leckrate. Zur Berechnung der Leckrate, die den Anstieg des Heliumanteils verursacht muß der Umrechnungsfaktor bekannt sein. Da mit der Meßeinrichtung Detektor/ Schnüffler die Prüfungen nach dem lntegraltest und der Lecksuche durchgeführt werden können, sind auch verschiedene Verfahren zur Ermittlung des Umrechnungsfaktors nötig. Zuerst zum lntegraltest, die Prüfmethode der Gesamt-Leckrate eines Prüflings. Dabei wird der Anstieg des Testgas/ Helium-Druckes in dem den Prüfling umgebendem Raum gemessen. Zur Bestimmung des Heliumdruckes je Einheit der Anzeige in Skalenteilen oder mbar*l/ s gibt es zwei Möglichkeiten: 1. Mit Hilfe des Heliumgehaltes der atmosphärischen Luft. Die in der angesaug~ ten Luft vorhandenen 5*1 o-3 mbar (5 ppm) Helium verursachen die Anzeige "Ao" Skt, danach beträgt die Empfindlichkeit "E": E 0 = 5*10- 3 / A 0 mbar/ Skt. oder ppm/ Skt. (25) (26) Beträgt bei der Messung die Anzeige "AM" Skt dann ist der Druckanstieg "PHe: oder PHe = (AM - A 0) * E 0 mbar CHe = (AM - A 0) * Ec ppm (27) (28) Die neuen kleinen Gegenstrom-Detektoren sind nicht mehr mit einem analogem Zeigergerät sondern mit digitaler Balkenanzeige ausgerüstet bei der nur die Leckrate angezeigt wird. Dann wird die Anzeige "A" in der Einheit mbar*l/ s eingesetzt; zum Beispiel: Ao = 2*1 o-a mbar*l/ s bei p = 5*1 o-3 mbar (Helium in Luft) 73 <?page no="86"?> oder Eo = (5*1o-3)/ (2*10-8) mbar/ mbar*l/ s Ec = 5/ (2*10-8) ppm/ mbar*l/ s Diese Methode zur Bestimmung der Empfindlichkeit hat zwei Nachteile: (29) (3(]J Es muß sichergestellt sein, daß in der angesaugten Luft nur die normalen 5 ppm vorhanden sind. Wird in Räumen gearbeitet so besteht die Gefahr, daß bei undichter Fülleinrichtung der Heliumgehalt angestiegen ist und zu falschem Ergebnis führt. Da die Anzeige "Ao" bei 5*1 o-3 mbar Heliumdruck bei vielen Geräten im empfindlichstem Bereich liegt, wird das Ablesen des genauen Wertes oft schwierig und kann zu Fehlern führen. Die andere Methode ist zwar umständlicher aber dafür auch sicherer. Zur Bestimmung der Empfindlichkeit wird in einem geschlossenem Behälter, möglichst aus Metall, eine Gasmischung mit bestimmtem Heliumanteil hergestellt, dabei kann der Anteil so gewählt werden, daß die Anzeige "Ao" in der Mitte des Meßbereichs des Detektors liegt. Wenn z.B. in einen Behälter mit dem Volumen von 10 1mit Hilfe einer Injektionsspritze 1 ml Helium eingebracht wird, beträgt der Heliumgehalt 100 ppm (0, 1 mbar). Nach guter Durchmischung wird die Bestimmung der Empfindlichkeit wie bei der Methode mit Luft durchgeführt. Nun ein Hinweis zum Aufziehen des Heliums in die Spritze ohne die Umgebung mit Helium zu verseuchen und keine Luft mit einzuziehen: Man füllt einen Luftballon (Spielzeug) der gut ausgedrückt ist, mit Helium, dabei soll er nur leicht angespannt sein, nicht prall gefüllt. Dann sticht man durch die Gummihaut, füllt und entleert die Spritze mehrmals, damit keine Luft in der Spritze bleibt. Aus dieser mit Helium gefüllten Spritze wird die benötigte Menge in den mit einem durchstechbarem Verschluß versehenen Behälter gespritzt und dieser heliumdicht verschlossen. Zur Messung wird diese Kappe abgenommen und die Schnüfflerspitze in den Behälter gehalten. Behälter aus Kunststoff sind wegen ihrer Durchlässigkeit für Helium nicht geeignet, meistens geht schon ein Teil Helium verloren ehe die Durchmischung erfolgt ist. Mit der nach diesen Methoden ermittelten Empfindlichkeit kann beim lntegraltest die Leckrate sehr genau bestimmt werden. Zur Bestimmung der Leckrate eines einzelnen Lecks muß anderst vorgegangen werden. Ist die Leckstelle gefunden und die max. Anzeige in Skt. oder mbar*l/ s festgestellt, wird mit Hilfe eines Testlecks für Schnüffler die "Ao" Anzeige ermittelt. Durch Umrechnung wie beim lntegraltest kann auf die Größe der Leckrate dieses Lecks geschlossen werden. Eine genaue Bestimmung ist nicht möglich. Ein Vorteil des Arbeitens mit Schnüffler ist die laufende Anzeige durch den Heliumgehalt der Luft und die dadurch gegebene Kontrolle der Geräte. 74 <?page no="87"?> 4.3. Prüfmethoden mit dem Helium-Leckdetektor Während in den bisher behandelten Prüfverfahren die möglichen Arbeitsweisen des Helium-Leckdetektors beschrieben wurden, sollen in diesem Abschnitt die, von den Prüfbedingungen und dem zu prüfendem Objekt abhängenden Prüfmethoden behandelt werden. In vielen Fällen ist durch den Betreiber des zu prüfenden Objektes die Prüfmethode vorgeschrieben, dann muß der Prüfer nur den dazu günstigsten Aufbau der Prüfanlage und Einsatz des Leckdetektors bestimmen. Im Abschnitt "Beispiele" werden dafür einige Anregungen gegeben. Wählt der Prüfer selbst die günstigste Methode aus, muß er bei der Auswahl einige Punkte beachten: 1. Geforderte Dichtheit, max. zulässige Leckrate . 2. Art des zu prüfenden Objektes; Bauteil oder Betriebsanlage für Vakuum oder Überdruck. 3. Lecksuche zum lokalisieren der Leckstelle, mit oder ohne Bestimmung der Leckrate. 4. Messen der Gesamtleckrate des Prüflings, lntegraltest. 5. Standartprüfung mit 1 bar Differenzdruck oder Prüfung unter Betriebsbedingungen mit den dabei auftretenden Drücken. 6. Zustand des Prüflings, neues Bauteil, neue Anlage oder ein Objekt vor oder nach der Reparatur. 7. Größe des Prüflings und vorhandene Hilfsmittel zum Erstellen des Prüfaufbaues und Einsatz des Leckdetektors. 8. Sollen nur ein einzelnes oder mehrere gleichartige Objekte geprüft werden. 9. Ist eine Prüfeinrichtung für eine Fertigungsstraße gefordert Besteht über die Punkte Klarheit, kann sowohl das Prüfverfahren wie auch die Prüfmethode festgelegt werden. Die mit dem Helium-Leckdetektor möglichen Prüfverfahren sind in den Absätzen: 4.1 und 4.2 aufgeführt. Als Prüfmethoden stehen zur Auswahl: a. Vakuum lntegraltest. b. Überdruck lntegraltest. c. Vakuum - Lecksuche. d. Überdruck - Lecksuche. e. Das Bombing - Verfahren. In den folgenden Abschnitten werden diese Prüfmethoden mit ihrem Arbeitsablauf und der erreichbaren Empfindlichkeit beschrieben. 4.3.1. Der Vakuum lntegraltest Soll bei einem Objekt die Gesamtleckrate festgestellt werden, wie es bei Bauteilen für mit Gas gefüllten Anlagen notwendig ist, genügt es nicht, diese durch eine Lecksuche mit Bestimmung der Einzel-Leckraten zu ermitteln. Die Prüfung muß nach einem lntegraltest-Verfahren erfolgen. 75 <?page no="88"?> Mit dem lntegraltest nach dem Vakuumverfahren kann die Dichtheit eine Prüflings bis zur Empfindlichkeit des Helium-Leckdetektors festgestellt werden, wenn nach dem Hauptstromverfahren gearbeitet wird. Dabei entspricht die Leckratenanzeige auch der wirklichen Rate. Muß wegen zu großem Gasanfall nach dem Teilstromverfahren geprüft werden, ist der Korrekturfaktor "k'', wie in Abschnitt 4.1.3 beschrieben, mit Hilfe eines Testlecks zu bestimmen. Zum lntegraltest, mit dem die Summe aller Einzel-Leckraten erfasst wird, muß der Prüfling in einem mit dem Testgas (Helium) gefülltem Raum stehen. Der Prüfling ist evakuiert und wird möglichst im Hauptstromverfahren laufend durch den Detektor abgesaugt, dadurch strömt durch alle vorhandenen Lecks Helium in den Prüfling und weiter durch den Detektor. Der lntegraltest wird auch bei Bauteilen mit zwei getrennten Räumen eingesetzt (Wärmetauschern), bei denen das Durchtreten von einem zum anderen Raum unbedingt verhindert werden muß. Dabei kann aber auch die Prüfung nach dem Überdruck - Verfahren durchgeführt werden. Jntegraltest mit Kammer Zuerst wird der Aufbau zur und die Durchführung der Prüfung an kleinen Bauteilen erklärt. In Bild 4.8 ist die Anlage schematisch dargestellt. Um den Aufbau des Vakuum- und Detektorteils der Anlage zu ersparen, sollte ein Tischgerät mit für das Prüfobjekt passender Hilfspumpe eingesetzt werden. Die Ausführung der Versorgung mit dem Testgas richtet sich nach der Anzahl der mit dieser Anlage zu prüfenden Teile. Die Beschreibung des Ablaufs der Prüfung bezieht sich auf Bild 4.8. Nachdem der Prüfling 1 am Tischgerät angeschlossen ist, wird er durch die Hilfspumpe "H" evakuiert, ist der zulässige Einlassdruck des Detektors "L'' erreicht, öffnet Ventil V2 und V1 schließt. Die Verbindung Prüfobjekt - Gerät soll durch kurzes Absprühen mit Helium auf Dichtheit kontrolliert werden. Dann wird die Haube 2 aufgesetzt, sie muß auf dem Tisch dicht aufliegen, durch die Pumpe 7 wird sie auf den Druck kleiner 50 mbar evakuiert, dann wird Ventil 6 geschlossen und über Ventil 4 Testgas bis auf Atmosphärendruck eingelassen. Ist das Objekt undicht, wird der Detektor schon während des Füllens eine Leckrate anzeigen; um aber den genauen Wert zu erhalten, muß die Einstellzeit abgewartet werden (Formel 19). Bei reinem Helium entspricht die Anzeige der wirklichen Rate. Ist der Detektor empfindlicher als die zugelassene Leckrate, kann das Testgas aus einem Gasgemisch mit einem bestimmten Anteil Helium bestehen (bei "E" = 1 o-s und qL = 1 o- 7 mbar*l/ s genügen 10% Helium). Die Leckrate wird bei x % Helium aus der Anzeige berechnet nach: qL = qLA * 100/ x % mbar*l/ s (31) Der Hül/ entest nach dem Vakuum-Hauptstromverfahren Nun ist es nicht immer möglich einen solchen Aufbau zur Prüfung zu erstellen oder es sind so wenig Teile zu prüfen, daß sich die Herstellung der Prüfeinrich- 76 <?page no="89"?> 1 Prüfling 2 Haube 3 Druck■eßgerät 4 Einlaßventil für Heliu■ 5 Anschluß für He-Flasche 6 Ventil zur Vakuu ■pu ■pe 7 Membranvakuu■pu■pe 8 Testgas-Ausstoß 9 Helium-Leckdetektor Tischgerät L Detektor• · Ventil V2 H Hilfspumpe ■ .Ventil Vt D Vakuummeter zur Steuerung Bild 4.8: Prüfaufbau zum lntegraltest (Dichtheitsprüfung) nach der Vakuummethode mittels Tischgerät und Haube tung nicht rentiert. Dann kann das zu prüfende Bauteil auch anstelle in einem festen Behälter mit einer Folie eingeschlossen werden. Diese Hülle muß natürlich gasdicht sein, braucht aber keinen Überdruck aushalten. Gut eignen sich die klaren, dickeren Planen (Folien), wie sie zum Abdecken bei Malerarbeiten eingesetzt werden. Bild 4.9 zeigt einen solchen Aufbau mit der Prüfeinrichtung. Der Arbeitsablauf entspricht dem zu Bild 4.8 gezeigtem. Das Prüfobjekt wird in die Hülle 2 gepackt und diese mit Klebeband gasdicht verschlossen, zur Prüfung dieser Dichtheit wird die Hülle leicht an das Objekt gedrückt, es sollte kein Gas entweichen. Da dieses Einpacken eine zeitaufwendige Arbeit ist, kann das Prüfobjekt mittels der Hilfspumpe 3 auf den Einlaßdruck des Detektors 4 evakuiert werden. Ist der Druck erreicht und die Hülle verschlossen wird Ventil 11 zur Hilfspumpe geschlossen und Ventil 8 zum. Detektor geöffnet. Nun muß das Testgas in die Hülle gebracht werden, dazu wird ein Loch in die Folie gestochen, die Hülle fest an den Prüfling gedrückt, damit möglichst alle Luft entweicht, durch die gleiche Öffnung wird das Testgas (möglichst 100 % Helium) eingeblasen bis die Hülle wieder die ursprüngliche Größe hat. Da bei dieser Füllung die Heliumkonzentration im Gas um den Prüfling nicht genau bekannt ist, denn es bleiben doch immer Luftreste zurück, ist es sicher und ausreichend mit 50 % Helium im Testgas zu rechnen. Die Leckrate wird dann aus der Anzeige berechnet nach: qL = qLA * 100/ 50 mbar*l/ s (31) 77 <?page no="90"?> 1 Prüfling 2 Hülle 1 3 Hilfspumpe i 4 Leckdetektor 5 Druck ia Prüfling 6 Einlaßdruck ' -9 7 Leckrate 8 Dosierventil 9 Testleck 10 Absperrventil 11 Regelventil 12 Testgas/ Helium 13 Blindflansch Bild 4.9: Prüfung eines Behälters nach dem Vakuum-Hüllentest. lntegraltest mit einem. transportablen Helium-Detektor und Hilfspumpe. Aufbau für Haupt- und Teilstromverfahren geeignet Soll nur ein Flansch oder Bauteil an einem Objekt geprüft werden, genügt es nur dieses Teil einzuhüllen. Der Ablauf der Arbeiten zur und bei der Prüfung entspricht dem Hüllentest. Überdruck-lntegraltest nach Vakuumverfahren. Bauteile, die für Überdruck bestimmt sind und unter Betriebsdruck auf Dichtheit geprüft werden sollen, können nach der Haubenmethode geprüft werden. Dabei wird die Kammer vakuumdicht an den Detektor angeschlossen. Das Prüfobjekt wird mit unter dem geforderten Überdruck stehendem Testgas gefüllt, und die Kammer evakuiert. Bei vorhandenen Lecks strömt das Testgas in die Kammer und weiter in den Detektor. Die Anzeige der vorhandenen Leckrate entspricht der wirklichen oder nach Formel 26 berechneten Rate bei dem eingegebenen Überdruck. Nach der üblichen Bezeichnung würde diese Methode zu den Überdruck-Verfahren zählen, da aber die Leckrate nach den Vakuumverfahren ermittellt wird, zählt es zu diesen. Eingesetzt wird diese Methode z.B. für Hochdruckventile an Gasflaschen, Bauteile für Hydraulik-Anlagen, Absperrorgane für chemische Verfahren und ähnliche Einsatzgebiete. Vorwiegend werden nur kleine Objekte nach dem Vakuumverfahren geprüft, für größere ist bei geringer Stückzahl der Aufwand für die Vakuumkammer zu groß, sollen aber in Serien gefertigte Teile z.B. Fässer geprüft werden, lohnt sich eine automatisch arbeitende speziell angepasste Einrichtung. Bild 4.10 zeigt als Schema eine einfache Prüfeinrichtung mit Kammer. Die Prüfung wird ähnlich wie die nach Bild 4.8 durchgeführt. Das Prüfobjekt 1 wird vorher mit Testgas auf den geforderten Überdruck gefüllt und verschlossen, oder wie auf dem Bild 4.10 an die in die Kammer 2 führende 78 <?page no="91"?> 1 Prüfobjekt 2 Prüfhaube 3 Heliu■-Leckdetektor 4 Ventil zum Detektor 5 Anzeige Einlaßdruck 6 Anzeige Leckrate 7 Vakuummeter für Haube 8 Manometer für Prüfling 9 Anschluß für Testleck 10 Entleerungspu ■pe 11 Absperrventil zur Pumpe 12 Prüfgas, Helium 13 Absperrventil zum Prüfling 14 Abgasleitung für Prüfgas Bild 4.10: Aufbau zum Überdruck-lntegraltest nach derm Vakuumverfahren mit Helium-Detektor und Hilfspumpe im Tischgerät Hochdruckleitung des Testgases angeschlossen. Die Leitung 4 vom Leckdetektor 3 möglichst ein Tischgerät führt ebenfalls in die Kammer, nach deren Verschließen wird sie evakuiert. Die Umschaltung von der Hilfspumpe auf den Detektor erfolgt im Tischgerät automatisch, sonst muß nach Erreichen des Einlaßdruckes per Hand umgeschalten werden. Ist das Objekt vor dem Einbringen in die Haube mit Testgas gefüllt und verschlossen worden, wird sofort, falls ein Leck vorhanden ist, eine Anzeige der Leckrate erfolgen. nun muß auf jeden Fall gewartet werden bis die Anzeige konstant bleibt. Nach Formel 15 wird der Ausgleichsdruck des Testgases in der Anlage durch das einströmende Gas und das Saugvermögen der Pumpe bestimmt (PHe = qLHJSHe mbar), da das Saugvermögen der Hilfspumpe und des Detektors nicht gleich sind, muß sich der Druck nach dem Umschalten auf das Saugvermögen des Detektors einstellen. Ist das Prüfobjekt an die Hochdruckleitung angeschlossen, wird nach dem Evakuieren der Kammer Testgas bis zum gewünschtem Druck eingelassen. Ist ein Leck vorhanden steigt die Anzeige der Leckrate innerhalb der Einstellzeit nach Formel 19 an. Wird bei den lntegraltesten nach dem Hauptstromverfahren gearbeitet, dabei spielt es keine Rolle ob ein Gegen- oder Hauptstrom Detektor eingesetzt wird, kann die Leckrate sehr einfach und schnell bestimmt werden. Ist es aber erforderlich, weil der Gasanfall zu groß ist, das Teilstromverfahren einzusetzen, muß zur Bestimmung der Leckrate der Korrekturfaktor "k" wie in Abschnitt 4.1.3 beschrieben, ermittelt werden. Nun kann das Verhältnis Haupt- 79 <?page no="92"?> durch Teilstrom nicht vorher bestimmt werden und nach der Prüfung ist es sehr schwer die gleichen Druckverhältnisse einzustellen. Um den Faktor "k'' zu erhalten gibt es 2 Verfahren. 1. Ein Testleck 9 in den Bilder 4.9 und 4.10 mit einer Testgasrate, die eine Zehnerpotenz über der noch zulässigen Leckrate liegt wird vor der Prüfung an das Prüfobjekt bei Bild 4.10 an die Kammer angeschlossen. Hat sich der Ausgleichsdruck eingestellt und ist der Leckdetektor prüfbereit, wird die Anzeige der vorhandenen Leckrate erfolgen, dabei muß in diesem Fall der max. Wert konstant bleiben. Nun wird das Testleck mit 100 % Helium beaufschlagt, die Leckanzeige steigt von "qLA 1" um "qd' Skt oder mbar*l/ s auf "qLA 2 an. Der Faktor "k" kann damit berechnet werden nach: (32) 2. Vor den Prüfungen wird mit Hilfe eines dichten Prüflings eine Meßreihe des Korrekturfaktors "k'' in Abhängigkeit vom Totaldruck im Prüfling bei gleichem Einlaßdruck in den Detektor erstellt. Dazu wird noch ein gut regelbares Gaseinlaßventil an einem zweiten Einlaßflansch des Prüflings angeschlossen. Das Testleck wird mit reinem Testgas beaufschlagt der Totaldruck im Prüfling durch Einlassen von heliumfreien Gas erhöht aber der Einlaßdruck des Detektors durch Regeln des Dosierventils 7 Bild 4.10 konstant gehalten. Mit Hilfe einer nach dieser Meßreihe erstellten Kurve kann der Korrekturfaktor bei gleichem Druck im Detektor in Abhängigkeit vom Druck im Hauptstrom entnommen werden. Diese Methode erspart Zeit und Arbeit, wenn mehrere Objekte mit dem gleichen Prüfstand geprüft werden müssen. In dem Abschnitt Beispiele wird eine Prüfung nach dieser Methode (Vakuumintegraltest mit Teilstromanlage) durchgespielt. Nach Beendigung der Prüfung muß das Testgas aus der Hülle oder der Haube entfernt werden, damit das Gerät für die nächste Arbeit bereit ist. Die einfachste Möglichkeit ist das Ablassen des Gases in die Umgebung, dies kann aber zur Verseuchung des Detektors führen. Beim Belüften des Prüfobjekts strömt dann mit Gas angereicherte Luft in die Vakuumanlage und damit auch in den Detektor beim Evakuieren des neuen Objektes. Ist der Testgasanteil in der Luft groß wird das in der Verpumpe bleibende Helium-Luft Gemisch zu Schwankungen der Leckratenanzeige führen. Deshalb sollte das Testgas abgepumpt und möglichst in die freie Atmosphäre transportiert werden. Wird ein fester Prüfstand mit Haube zur laufenden Prüfung aufgebaut, lohnt es eine Testgas-Rückgewinnungs-Anlage einzusetzen. Im nächste Abschnitt wird der lntegraltest nach dem Überdruckverfahren behandelt. 80 <?page no="93"?> 4.3.2. Überdruck-lntegraltest Diese Methode ist ein Druckanstiegsverfahren, bei dem die Druckänderung des Testgases in einem das Prüfobjekt umgebendem Raum. gemessen wird. Der Aufbau der Prüfeinrichtung entspricht dem Vakuum lntegraltest mit Haube oder Hülle. Da für die Prüfung nur ein Leckdetektor mit Schnüffler und die Einrichtung zum Füllen des Prüflings benötigt wird, ist diese Methode einfacher als der Vakuumtest. lntegraltest mit Haube. Bild 4.11 zeigt den Aufbau mit Haube zur Prüfung von kleinen Bauteilen nach dem Überdruck-lntegraltest. 1 Prüfobjekt; 2 Haube; 3 Ventilator; 4 Vakuum-Druckmanometer; 5 Prüfgas, Helium; 6 Absperrventil; 7 Heliumdichte Verbindung; 8 Blindflansch in Hülle; 9 Durchgangshahn; 10 Schnüfflerspitze; 11 Helium-Leckdetektor Bild 4.11: Aufbau zur lntegralprüfung eines Behälters unter einer Haube nach der Überdruckmethode Die Angaben zur Prüfung beziehen sich auf Bild 4.11. Mit welchem Überdruck und mit welcher Heliumkonzentration das Prüfobjekt 1 gefüllt werden soll, richtet sich nach den späteren Betriebsbedingungen, der noch zugelassenen Leckrate und der gewünschten Standzeit. Durch Änderung des Überdruckes ändert sich auch die Leckrate eines Lecks (Formel 1 oder 2). Wird der Überdruck über 1 bar erhöht, muß die Sicherheit nach der Druckgas Verordnung beachtet werden. 81 <?page no="94"?> Über die Testgaskonzentration wird die benötigte Standzeit und notwendige Empfindlichkeit des Detektors beeinflußt. Damit das Testgas sich im ganzen Prüfling gleichmäßig verteilt sollte das Prüfobjekt auf eine Druck kleiner 50 mbar evakuiert werden bevor das Gas eingelassen wird (Begründung in Abschnitt 4.2). Über den mit dem Testgas gefüllten Prüfling wird nun die Haube 2 gesetzt, die gasdicht gegen die Umgebung und innen mit einem Ventilator versehen sein muß. Der Ventilator ist notwendig zum Mischen der vorhandenen Luft mit dem aus Lecks austretenden Testgas. Ohne Durchmischung würde die Verteilung des austretenden Testgases nach dem Gesetz der Diffusion erfolgen und sich immer ein Partialdruckgefälle vom Leck zu den Wänden der Haube einstellen (Öffnung zum Schnüffeln). Es ist gut, wenn an dem Prüfling ein Druckmessgerät angeschlossen ist, damit große Lecks durch den Druckabfall zu erkennen sind. Nachdem die Empfindlichkeit des Leckdetektors mit Schnüffler 10 und 11 nach Abschnitt 4.2.2 bestimmt worden ist, wird die Spitze in eine vorgesehene wieder verschließbare Öffnung der Haube gesteckt und die Anzeige "Ao" festgehalten. Entspricht der Wert dem der Umgebung außerhalb der Haube, kann die Prüfung durchgeführt werden, bei starker Änderung, Faktor 2, der gemessenen Anzeige muß nach ca. 15 Minuten eine weiter Messung vorgenommen werden. Ist der Wert höher kann die Leckrate berechnet werden. Ist der Wert gefallen, muß beim Aufsetzen oder vorher Testgas in die Haube gelangt sein, dann muß die Haube abgenommen und mit Gas (frei von Testgas) ausgeblasen und die Messungen müssen wiederholt werden. Ist der Aufbau in Ordnung, wird die benötigte Standzeit festgelegt, damit sich in der Haube ein meßbarer Druckanstieg des Testgases einstellen kann. Diese Zeit muß berechnet werden, um bei der zugelassenen Leckrate einen ausreichenden Druckanstieg zu erhalten. Zur Rechnung werden benötigt: Freies Volumen der Haube Zugelassene Leckrate Benötigter Druckanstieg Benötigter Konzentrationsanstieg damit wird die notwendige Standzeit "tmin"berechnet: Bei Druckanstieg Bei Anstieg der Konzentration VHaub qLzul PHe CHe Liter mbar*l/ s mbar oder ppm (33) (34) Der benötigte Druckanstieg richtet sich nach der am Anzeigegerät sicheren möglichen Ablesegenauigkeit. Als Richtwert gilt: der Anstieg soll 50 % des Anfangswertes betragen. Die Berechnung von "PHe" ist von der vorher ermittelten Einheit der Empfindlichkeit "E" abhängig (Abschnitt 4.2.2.) Liegt die Standzeit fest, kann mit der Prüfung begonnen werden. Als erstes wird 82 <?page no="95"?> der Heliumanteil bei laufendem Lüfter in der Haube gemessen, die Zeit ''to" und Anzeige "Ao" werden festgehalten. Damit beginnt die Standzeit, ist die Leckrate aber größer als die zulässige, wird der benötigte Anstieg des Testgases schon in kürzerer Zeit erfolgt sein, deshalb sollten Zwischenmessungen vorgenommen werden. Ist die Standzeit "tmin" abgelaufen oder hat sich der geforderte Druckanstieg "PHe" oder "cHe" eingestellt, wird .~ie Zeit "t{ und die Anzeige "A 1" gemessen, damit kann die Leckrate aus der Anderung der Konzentration oder des Druckes berechnet werden. Wirkliche Standzeit Sekunden (35) Zur Berechnung der Leckrate gibt es zwei Möglichkeiten. Konzentrationsänderung CHe = (A 1 - A 0 )*Ec ppm (36) Umgebungsdruck Pamb (Atmosphäre) mbar Daraus die Leckrate in mbar*l/ s: qL = (CHe * 1Q·S* Pamb * VHaub) / tw Änderung des Druckes PHe = (A 1 - Ao)*Eo Daraus die Leckrate in mbar*l/ s: mbar*l/ s mbar*l/ s (37) mbar (38) (39) In dieser Form gelten die Formeln 33 bis 39 nur wenn das Prüfobjekt mit reinem Testgas (Helium) gefüllt ist, beträgt der Heliumanteil nur x Prozent müssen die Werte ''tmin" und "qL" noch mit 100/ x % multipliziert werden. Müssen größere oder einzelne Objekte geprüft werden, wird genau wie beim Vakuum-lntegraltest der Hüllentest eingesetzt. Dabei sind gegenüber dem Haubentest noch einige weitere Punkte zu beachten. lntegraltest mit Hülle. Genau wie bei dem Vakuum-Hüllentest (Bild 4.9) wird das Prüfobjekt in eine Plastik-Hülle eingepackt, diese sollte auch gasdicht verschlossen werden. Da es schwierig ist einen Ventilator einzusetzen, darf die Folie nicht fest am Objekt liegen, damit durch Bewegen der Hülle eine Durchmischung des Gases möglich ist. Bild 4.12 zeigt den Aufbau zu einem lntegraltest mit Hülle. Sollen nur einzelne Teile des Prüfobjektes untersucht werden, z.B. Flanschanschlüsse, Meßgeräte oder Armaturen, können sie in einen Beutel aus Folie eingepackt und nach der gleichen Methode geprüft werden. Dabei ist zu beachten, daß das Volumen des Beutels ein Vielfaches des Saugvermögens des Schnüfflers beträgt, in der Praxis hat sich der Faktor 100 bewährt. Die Vorbereitungen zur Prüfung entsprechen denen der Prüfung mit Haube, nur 83 <?page no="96"?> 1 Prüfling 2 Hülle 3 Schnüfflerspitze 4 Schnell-Schnüffler 5 Leckdetektor 6 Manometer 7 Absperrventil 8 Vakuumpumpe 9 Absperrventil 10 Prüfgas Bild 4.12: Prüfaufbau zum lntegraltest nach der Überdruckmethode (Hüllentest) Schnüffler mit Saugpumpe und Separator sollte das Testgas erst nach Anbringen der Hüllen in das Prüfobjekt eingelassen werden. Ebenso werden die gleichen Berechnungen für die Bestimmung der Standzeit und der Leckrate durchgeführt. Da es kaum möglich ist das freie Volumen der Hülle zu bestimmen muß dabei ein Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden. Ein Vorteil der Überdruckmethoden ist die mögliche Druckerhöhung im Prüfling, dadurch strömt durch eine Leck eine größere Gasmenge (Berechnung nach Formel 1). Nach Abschluß der Messungen werden folgende Werte zur Bestimmung der Leckrate bei der Vorhandenen Druckdifferenz (Druck im Prüfling "Pi" minus Außendruck "PA") benötigt: Freies Volumen der Hülle Wirkliche Standzeit Heliumanstieg in der Hülle VHül Liter tw Sekunden PHe mbar oder CHe ppm Heliumkonzentration im Prüfling x Prozent Differenzdruck p 1- PA bar oder mbar Daraus wird die Leckrate für diesen Differenzdruck berechnet: mbar*l/ s bei (Pi-PA} oder (40) (41) Darin sind genau wie bei der Prüfung mit Haube 100 % Helium im Prüfling und "PHe• cHe und tw" nach den gleichen Formeln berechnet, ist eine andere Helium- 84 <?page no="97"?> 3 2 2 - V ~ ~ ~ 5 IJ 5 V H 0 -4-> a) ~ 0 / / - 1 ) 3 4 Überdruck (bar) / / / 5 6 ,/ 7 8 Bild 4.13: Anstieg der Leckrate in Abhängigkeit vom Druck im Prüfling bei 1 bar Außendruck (Atmosphäre) berechnet nach Formel 1 konzentration im Prüfling muß qL noch mit dem Faktor 100/ x % multipliziert werden. Beim Einsatz des lntegraltestes nach der Vakuum- und auch der Überdruckmethode sind noch einige von der Art des Prüfobjekts und den Hilfsmittel abhängige Punkte zu beachten. Dazu die Beschreibungen und einige technische Werte in Abschnitt 4.5. Bild 4.13 zeigt den Anstieg der Leckrate in Abhängigkeit vom Innendruck des Prüflings bei 1 bar Außendruck (Atmosphäre). Daraus ist zu ersehen, daß bei einem Überdruck von ca. 4,5 bar die Leckrate um den Faktor 10 ansteigt, durch ein Leck mit einer Rate von 1 *1 Q-5 bei 1 bar strömen bei 4,5 bar 1 *1 o- 4 mbar*l/ s. Wird der Heliumanteil im Prüfgas auf 25% reduziert, beträgt die Heliumrate noch 2,5*1 Q-5 mbar*l/ s. Daher könnte die Standzeit halbiert werden. Ein anderer Vorteil durch Erhöhung des Differenzdruckes bei gleichem Heliumgehalt im Prüfgas und gleicher Standzeit ist der höhere Druckanstieg des Heliums unter der Hülle. Dadurch kann ein Gerät mit geringerer Empfindlickeit eingesetzt werden. Wurde bei dem lntegraltest eine nicht mehr zulässige Leckrate festgestellt, wird die nächste Aufgabe die Lokalisierung des oder der Lecks sein. 4.3.3. Vakuum-Lecksuche Ist an einer Anlage oder einem Bauteil eine Undichtheit vorhanden, muß die Leckstelle gesucht werden. Dies kann wie auch der lntegraltest mit Hilfe von Va- 85 <?page no="98"?> 1 Prüfobjekt 2 Testgasstrahl 3 Leckdetektor Tischgerät 4 Hilfspuape 5 Detektor 6 Leckrate 7 Einlaßdruck 8 U■schalt- Ventile. 8. 4. Bild 4.14: Lecksuche an einem kleinen Prüfobjekt auf einem Helium- Leckdetektor mit Hilfspumpe (Tischgerät} kuum oder Überdruck im Prüfling erfolgen. Welches Verfahren eingesetzt wird richtet sich nach der noch zulässigen Leckrate und dem zu prüfendem Objekt. So wird es kaum möglich sein eine Vakuumanlage mit Überdruck zu beaufschlagen oder eine Hochdruckanlage zu evakuieren, denn in beiden Fällen werden die vorhandenen Dichtungen gegen Atmosphäre undicht werden. Die Ortung des Lecks wird meistens nur durchgeführt um es zu beseitigen. Die Grösse der Leckrate einer Leckstelle ist für die Gasdichtheit selten interessant. Nur bei Dichtheit gegen Flüssigkeiten ist die Größe des einzelnen Lecks ausschlaggebend, so ist ein Leck mit der Gasrate (Luft} von kleiner 5*1 Q-5 mbar*l/ s wasserdicht. Wieviel Lecks dieser Größe vorhanden sind spielt für die Dichtheit des Behälters für Wasser keine Rolle. Deshalb ist in solchen Fällen die Leckrate jedes einzelnen Lecks zu bestimmen. Bild 4.14 zeigt den Aufbau zu einer Lecksuche an einem Behälter mit einem Tischgerät. Der Arbeitsablauf wird nach diesem Bild 4.14 beschrieben. In dem Tischgerät sind der Detektor, eine Hilfspumpe, die notwendigen Meßgeräte und Armaturen eingebaut. Das Prüfobjekt wird über die Leitung 3, die in der Nennweite des Geräteanschlusses ausgeführt ist, verbunden. Ist der Leckdetektor betriebsbereit, wird das Einlaßventil des Tischgerätes geöffnet und der Behälter durch die Hilfspumpe evakuiert, die Pumpzeit kann nach Formel 11 berechnet werden. Nach Erreichen dieses Druckes schaltet das Gerät von der Hilfspumpe auf den Detektor. Die Lecksuche kann beginnen. Um die Leckstelle zu finden muß durch sie anstelle des Gases aus der Umgebung (Luft} Helium in den Prüfling strömen, und zwar solange bis sich ein für die Empfindlichkeit des Detektors ausreichender Helium-Druck im System eingestellt hat (Bild 4.1). Um die dafür notwendige Zeit zu ermitteln, kann aus dem Saugvermögen des Detektors und dem Volumen die Ansprechzeit nach Formel 18 berechnet oder besser mit Hilfe eines Testlecks gemessen werden. Dazu 86 <?page no="99"?> 1 Anschluß für Anlage/ Prüfobjekt 2 Absperrventil 3 Anschluß für Testleck 4 Wälzkolbenpumpe 5 Druck im Hauptstrom 6 Regelarmatur für Saugvermögen 7 Drehschieberpu■pe 8 Leckdetektor 9 Anzeige der Leckrate 10 Druck im Teilstrom/ Einlaßdruck des Detektors 11 Drosselventil 12 Druck am Prüfobjekt Bild 4.15: Prüfaufbau zur Lecksuche/ Dichtheitsprüfung nach dem Teilstromverfahren und Anschluß des Detektors an einen Pumpsatz einer Vakuumanlage darf aber kein Testleck mit Gasvorrat eingesetzt werden, Begründung in Abschnitt 3.4.3. Aufwendiger ist die Lecksuche an Vakuumanlagen z.B. Kondensatoren der Turbinen in Kraftwerken, chemischen unter Vakuum stehenden Anlagen oder sehr großen Behältern die alle nach dem Teilstromverfahren geprüft werden müssen, weil der Leckdetektor den Gasanfall nicht abpumpen kann. Oft wird auch verlangt, daß der Prüfling, besonders bei Bauteilen für Hochvakuum- und Kerntechnik, zur Prüfung auf einen Druck kleiner 1 *1 o-s mbar evakuiert wird. Dazu muß ein Hochvakuumpumpsatz als Hilfspumpe eingesetzt werden. Lecksuche im Teilstromverfahren. Da die Ausführungen der zu prüfenden Anlagen zu unterschiedlich sind, ist in Bild 4.15 nur der Pumpsatz zur Prüfung eines großen Behälters oder einer Vakuumanlage gezeigt. Bei diesen Verfahren wird im Allgemeinen nur ein kleines Jransportables Gerät eingesetzt. Während des Evakuierens der Anlage bei angeschlossenem Detektor wird sehr oft durch den Heliumgehalt der Luft eine Leckrate angezeigt. Oft bleibt auch nach Erreichen des Ausgleichdruckes diese Anzeige bestehen. Dies ist ein Zeichen für ein vorhandenes größeres Leck in der Anlage, bei dem die 5 ppm Heli- 87 <?page no="100"?> 1 1 / / 1 1 Behälterwand mit Schweißnaht 2 Klebeband 3 Folie 4 Schnüffler bei Integraltest 4 Testgasleitung zur Leckratenbestimmung Bild 4.16: Abkleben von Schweiß nähten um in der Luft für eine Anzeige ausreichen. Um das Leck zu finden, werden die vermuteten Stellen mit einem feinen Heliumstrahl besprüht. Dabei muß die Ansprechzeit unbedingt eingehalten werden (Formel 18). Soll die Leckrate bestimmt werden, muß die Leckstelle für die Dauer der Einstellzeit (Formel 19) mit 100 % Helium beaufschlagt werden. Damit nicht die ganze Zeit gesprüht werden muß, hat sich folgendes Hilfsmittel bewährt. Über die Leckstelle wird eine locker aufliegende Folie geklebt, diese wird fest ausgedrückt, um die eingeschlossene Luft zu entfernen. Dann wird Helium unter die Folie gefüllt, damit ist das Leck für die Einstellzeit mit Helium beaufschlagt. Der Fehler bei der Bestimmung der Leckrate durch Restluft unter der Folie liegt dabei unter 10 %. Bild 4.16 zeigt diese Anordnung. Sie wird auch beim Überdruckverfahren zum Bestimmen der Leckrate eingesetzt. Vor Beginn der eigentlichen Prüfung, empfiehlt es sich den Aufbau auf einwandfreie Funktion und Dichtheit zu kontrollieren. Dazu wird Ventil 2 in Bild 4.15 am Anschluß des Prüfobjekts geschlossen, Pumpen und Detektor in Betrieb genommen. Nach dem der zulässige Einlaßdruck nach Meßgerät 5 erreicht ist, wird Ventil 11 geöffnet und die Anlage durch Absprühen mit Helium überprüft. Liegt der Druck unter dem Einlaßdruck des Detektors, kann durch Ventil 6 das Saugvermögen der Vorpumpe 7 gedrosselt und damit der Druck erhöht werden. Ist der Prüfeinrichtung in Ordnung wird das Prüfobjekt durch den Pumpsatz auf den Ausgleichsdruck evakuiert. Dieser kann bei Anlagen mit eigenen Pumpen zwischen Grobvakuum bis 100 und Feinvakuum bis 10-3 mbar liegen. Müssen Bauteile geprüft werden, kann der Prüfer die Hilfspumpe oft selbst bestimmen, und damit auch aus der Empfindlichkeit des Detektors und der zum Absaugen des Gases aus dem Objekt notwendigen Saugleistung der Hilfspumpe die noch messbare kleinste Leckrate berechnen. Ist der Ausgleichsdruck nach Meßgerät 5 erreicht, wird das Drosselventil 11 geöffnet, damit der Korrekturfaktor "k" möglichst klein wird, soll die max. zulässige Gasmenge in den Detektor eingelassen werden. Hat sich ein konstanter Druck im Haupt- und Teilstrom nach Meßgeräten 5 und 10 eingestellt, wird mit 88 <?page no="101"?> Hilfe des Testlecks , das am Prüfobjekt angebracht wird, der Korrekturfaktor nach Formel 13 ermittelt und auch die Ansprechzeit gemessen. Wichtig. Bei Objekten mit großem Volumen von mehren m3 muß das Testleck schon beim Evakuieren offen sein, wird es nur zum Einlassen des Test~ases kurz geöffnet, gibt es keine oder eine falsche Anzeige. Durch das beim Öffnen einströmende Gas steigt der Druck im gesamten Vakuumraum an und es dauert einige Zeit bis sich der Ausgleich eingestellt hat. Bei zu kleiner Leckrate des angeschlossenen Testlecks erfolgt keine Anzeige im Detektor, dann muß mit Hilfe eines Drosselventils ein Leck hergestellt werden, auf das der Detektor anspricht. Dabei muß nach jeder neuen Einstellung der Druckausgleich abgewartet werden. Dieser Test ist notwendig, um die Funktion der Prüfeinrichtung zu kontrollieren, denn bei starker Strömung in der Hauptstromleitung besteht die Gefahr, daß das Testgas nicht in den Anschluß des Detektors gelangt. Ein weiterer zu beachtender Punkt beim Prüfen von Anlagen ist die Art des anfallenden Gases oder der Dämpfe. So beträgt in Anlagen mit Dampfturbinen bei einem Totaldruck von über 50 mbar der Druck des Wasserdampfes ca. 30 bis 40 mbar, dieser Druck ist für die Pumpen im Detektor zu hoch, der Dampf kondensiert während der Kompression auf Atmosphärendruck und das Wasser bildet mit dem Öl der Vorpumpe eine Emulsion. In Anlagen der Chemie fallen oft Dämpfe an, die ebenfalls zur Veränderung des Öls in den Pumpern führen und damit die Pumpen schädigen. Ein Hilfsmittel den Detektor vor den Gasen oder Dämpfen zu schützen, ist der Einsatz einer Tiefkühlfalle, doch ist die Kapazität der Fallen und damit auch die Standzeit begrenzt, deshalb sollte eine Ersatzfalle zum Wechsel vorhanden sein. Zur Lecksuche selbst noch einige Hinweise. Beim Absprühen übersichtlicher Prüflinge kann· mit einem feinem Heliumstrahl gearbeitet und dadurch die Leckstellen erkannt werden. Besonders bei Anlagen aber auch bei großen Prüfobjekten würde das Sprühen mit einem feinem Strahl auf alle möglichen Leckstellen zu aufwendig werden, deshalb hat es sich bewährt mit eine starke Heliumwolke an das Objekt zu blasen. Erfolgt eine Anzeige muß die Strömung verfolgt und in dieser Richtung gesucht werden. Bei den Prüfungen mit dem Teilstromverfahren ist es immer wichtig den Anschluß des Detektors an der Leitung des Hauptstromes so anzusetzen, daß der Druck dort höher als der zulässige Einlaßdruck des Detektors ist. Wird mit Hochvakuumpumpen gearbeitet muß der Detektor vor der Vorpumpe angeschlossen und bei zu niedrigem Druck das Saugvermögen des Pumpsatzes durch Ventil 6 gedrosselt werden. Im Abschnitt "Beispiele" wird auch die Lecksuche an einer Anlage beschrieben. 4.3.4. Überdruck-Lecksuche Lecksuche nach dem Überdruckverfahren wird häufiger als nach dem Vakuumverfahren eingesetzt, denn der Aufwand an Geräten und Einrichtungen zur Prüfung ist viel geringer. So werden schon Helium-Leckdetektoren angeboten, die nur zum Schnüffeln dienen. 89 <?page no="102"?> l : c: ,: ".; .; .; .; .; : ; .: .; : : : " i .; : : : : : : ·: ': •: : : : : : .; : : : : : : : : : Abhängigkeit der Leckratenanzeige vom senkrechten Abstand des Schnüfflers von der Leckstelle, dabei steht er immer genau über dem Leck, nur der Abstand wird verändert Schnüffler Anzeige AS = Anzeige bei 1 mm Abstand mal A nach Kurve Bild 4.17: Testgaswolke vor einem Leck und Leckanzeige "AS" in Abhängigkeit vom Abstand "S" der Schnüffelspitze vom Leck für einen Standard "111und Quick Schnüffler "2" Trotz dieses geringen Aufwandes zur Lecksuche gibt es einige genau zu beachtende Punkte: die Leckrate kann nur abgeschätzt aber nicht gemessen werden, die Handhabung und Führung des Schnüfflers muß sehr genau nach Angabe des Herstellers erfolgen und die Laufzeit durch die Schnüffeleinrichtung muß beachtet werden. Der Vorteil dieser Methode ist nicht nur der geringere Aufwand, sondern auch die Möglichkeit durch Variieren des Druckes im Prüfling die Leckrate eines Lecks genau wie beim lntegraltest zu verändern. Nun einige Hinweise zur Durchführung der Lecksuche. Das aus dem Leck strömende Gas verteilt sich sofort als Wolke in der Luft, die Konzentration des Testgases nimmt sehr schnell mit der Entfernung vom Leck ab. Bild 4.17 veranschaulicht diesen Vorgang. Es zeigt die Verringerung der Heliumkonzentration mit der Entfernung von dem Leck, dazu auch die Abnahme der Anzeige des Leckdetektors mit dem Abstand vom Gasaustritt sowohl, für einen einfachen Schnüffler wie auch für einen Schnüffler mit Hilfspumpe. Daraus ist zu ersehen, daß der einfache Schnüffler nur ca 50 % von dem des schnelleren Gerätes ansaugt. Beide Geräte zeigen bei einem Abstand von 6 mm nur noch 10 % des max. Wertes an. Das folgende Bild 4.18 zeigt das Ergebnis einer weiteren Untersuchung, dabei wurde bei gleichem Abstand zwischen Oberfläche des Prüfobjekts und der Spitze eines normalen Schnüfflers die Anzeige in Abhängigkeit von dem seitlichen Abstand und der Schnüffelgeschwindigkeit gemessen. 90 <?page no="103"?> ~--.<-10.,'' "' =--~~7 .~ / " _______ / _....,._3"5 / / "() 20 30 40 50 60 70 s rmm1 0 = Position des Lecks. s = Abstand zwischen Leckposition und max. Anzeige. v = Schnüffelgeschwindigkeit. Bild 4.18: Prozentuale Abhängigkeit der Leckratenanzeige (Qualität und örtlicher Versatz) von der Schnüffelgeschwindigkeit mit einem Standard- Schnüffler Die beiden Untersuchungen zeigen, daß bei der Lecksuche nach dem Überdruckverfahren die Handhabung des Schnüfflers am Prüfobjekt für den Erfolg der Prüfung ausschlaggebend ist. Die optimalen Werte des Abstandes der Spitze und der Schnüffel-Geschwindigkeit liegen bei: Abstand: 1 bis 2 mm; Geschwindigkeit: 30 bis 50 cm/ min Schnüffler mit einem Saugvermögen über 1 cm3/ s können mit Hilfe eines kleinen Bechers an der Spitze empfindlicher gemacht und die Suchgeschwindigkeit kann verdoppelt werden. Das Volumen des Bechers sollte nicht größer als das Saugvermögen der Schnüfflerpumpe, sein, damit die Verzögerungszeit nicht verlängert wird. Bild 4.19 zeigt eine solche Vorrichtung. Ein weiteres Hilfsmittel zur Optimierung der Geschwindigkeit und prüfen der Empfindlichkeit zeigt Bild 4.20. Ein Testleck von größer 1 Q-6 mbar*l/ s Helium wird so an einer Platte angebracht, daß die Öffnung des Lecks auf der Oberfläche liegt. Das Leck wird mit dem gleichen Druck und Testgas wie das Prüfobjekt beaufschlagt. Durch Vorbeiführen des Schnüfflers an dem Leck mit verschiedenen Geschwindigkeiten 91 <?page no="104"?> Zu 1 Nur ein Teil des Heliums aus dem Leck wird in den Schnüffler eingesogen Zu 2 Ein kleiner Becher an der Spitze läßt mehr Helium in den Schnüffler gelangen, verlängert aber die Signalabklingzeit Zu 3 Zugluft im Prüfberecih kann Helium fortwehen und führt zu geringerer Anzeige Bild 4.19: Leck-Heliumeintritt in den Schnüffler Der Helium-Schnüffler (2) wird mit Prüfgeschwindigkeit an der Meßstrecke des Testleckhalters (1) entlang geführt. Die Heliumversorgung des Testlecks (3) erfolgt über die Leitung (4), Druck und Konzentration des Testgases sollen dem der Prüfung eingesetzten entsprechen. An Hand der Leckratenanzeige wird die optimale Suchgeschwindigkeit ermittelt Bild 4.20: Gerät zur dynamischen Empfindlichkeitskontrolle 92 <?page no="105"?> und Abständen können die günstigsten Werte ermittelt werden. Ein Hersteller bietet ein solches Gerät an. Ist der Leckdetektor mit Schnüffeleinrichtung betriebsbereit, wird die Empfindlichkeit und günstigste Suchgeschwindigkeit mit einer Einrichtung nach Bild 4.20 ermittelt und ist der Prüfling mit dem Testgas in der vorgesehenen Konzentration und dem gewünschtem Druck gefüllt, kann mit der Lecksuche begonnen werden. Durch den Heliumgehalt der Luft von 5 ppm (5*10-3 mbar) zeigt der Detektor eine Leckrate an, die Höhe der Anzeige ist von der Saugleistung und Empfindlichkeit des Gerätes bei angeschlossenem Schnüffler abhängig. Bei vielen Geräten liegt die Anzeige im Bereich von 1 o-a mbar*l/ s. Hat der Detektor eine Nullpunkt - Unterdrückung kann mit der vollen Empfindlichkeit des Detektors gesucht werden. Trotzdem sind in der Praxis Lecks kleiner 1 o-s mbar*l/ s Helium nicht zu finden, denn der Schnüffler wird selbst mit Becher nicht die gesamte aus dem Leck strömende Heliummenge ansaugen. Schwierig sind Lecks an Flanschen zu finden, denn selten kann die Dichtung mit dem Schnüffler erreicht werden, bei kleinen Lecks verteilt sich das Testgas so schnell, daß die Konzentration am Flanschrand für den Detektor schon zu niedrig ist. Um die Dichtheit zu überprüfen, wird die Flanschverbindung über den Umfang abgeklebt, dadurch steigt bei einem Leck die Heliumkonzentration zwischen den Flanschen an und kann wie beim lntegraltest festgestellt werden. Bei der Lecksuche an Schweißnähten muß immer damit gerechnet werden, daß die Öffnung des Lecks nicht senkrecht zur Oberfläche liegt. Sehr oft, besonders an Kehlnähten, treten Lecks parallel zur Oberfläche zwischen Material und Schweißraupe auf. Wird mit einem Schnüffler mit kleinem Saugvermögen oder feiner Spitze gearbeitet, muß diese Kante sorgfältig abgesucht werden. Soll die Leckrate festgestellt werden, gibt es dazu mehrere Möglichkeiten. lntegralmethode. Über das Leck wird eine Haube (Folie) mit ca: 50 bis 100 cm3 Volumen an der Oberfläche verklebt und wie beim lntegraltest der Anstieg der Heliumkonzentration über die Zeit gemessen. Die Berechnung erfolgt nach Formeln 31 oder 32. Vakuummethode. Anstelle der Schnüffeleinrichtung wird eine Vakuumleitung mit einer Saugglocke an den Detektor angeschlossen und die ·Glocke über das Leck gesetzt. Dabei muß der Anschluß an das Prüfobjekt vakuumdicht sein, dazu kann Dichtungskitt oder ähnliches Material eingesetzt werden. Beim Evakuieren der Glocke durch den Detektor wird die Leckrate direkt angezeigt. Vergleichsmethode. Mit dieser Methode kann nur die Größenordnung der Leckrate festgestellt werden. Mit dem zu Beginn der Prüfung bestimmten Faktor der Empfindlichkeit des Prüfgerätes aus Detektor mit Schnüffler und dem max. gemessenem Wert des Lecks wird die Leckrate berechnet. 93 <?page no="106"?> Bestimmung des Faktors "F": Beispiel: Testleck Anzeige Faktor Ungefähre Leckrate 4.4. Bombing-Verfahren : 5,0*10-4 mbar*l/ s : 2,5*1 o-s mbar*l/ s : "F" = 5,0/ 2,5 * 102 = 200 : Anzeige * "F" mbar*l/ s Bei den bisher beschriebenen Methoden der Dichtheitsprüfung waren die Prüfobjekte mit einem Anschluß zum Evakuieren oder Füllen versehen, dabei konnte die Füllung mit Testgas zu einer integralen Vakuumprüfung erfolgen und der Prüfling hermetisch verschlossen werden Es gibt aber auch kleine Objekte, die bei der Fertigung nicht mit Testgas gefüllt werden können besonders im Bereich der elektronischen Bauteile wie Transistoren, Überspannungsableiter, Schaltungen und Relais. Auch diese unter Schutzgas oder Vakuum stehenden Bauteile müssen dicht sein, gefordert werden Leckraten kleiner 1 o- 7 mbar*l/ s um mehrjährige Standzeiten zu erhalten. Um diese Forderungen zu garantieren müssen die Teile geprüft werden. Wegen der kleinen noch zulässigen Leckraten kommt als Prüfgerät nur der Helium- Leckdetektor in Frage. Um das Testgas Helium bei einem integralen Vakuumtest einzusetzen, muß es in den Prüfling gebracht werden. Da die zu prüfenden Bauteile hermetisch verschlossen sind und nur die undichten Exemplare ausgesondert werden, wird ein besonderes Verfahren eingesetzt. Das "Bombing-Verfahren (baok-pressurisingJ'. Dieses läuft in drei Schritten ab: Füllen. Das Prüfobjekt, meistens mehrere, werden in einer Druckkammer unter hohem Helium-Druck über eine bestimmte Zeit gelagert. Dabei strömt bei vorhandenen Lecks das Testgas in das mit geringerem Druck gefüllte Objekt, in die dichten Teile kann kein Helium eindringen. Reinigen. Die Prüfobjekte werden der Druckkammer entnommen und bleiben eine gewisse Zeit an atmosphärischer Luft liegen, damit das an der Oberfläche oder in Spalten befindliche Helium entweichen kann. Prüfen. Die Objekte kommen in eine an den Detektor angeschlossene Vakuumkammer zum lntegraltest. Bei undichten Teilen tritt das Helium wieder aus und die Leckrate kann gemessen werden. Dieses Verfahren kann aber aus wirtschaftlichen Gründen nur für Bauteile mit Volumen bis ca. 10 cm3 eingesetzt werden. Die Zeit in der Druckkammer wird durch die geforderte Leckrate, das Volumen und den zulässige Überdruck be- 94 <?page no="107"?> stimmt. Sie kann mehrere Stunden dauern. Die Lagerzeit an der Luft liegt bei 5 bis 10 min. Die Prüfzeit beträgt je nach Prüfkammer und Detektor 10 bis 15 min. Um nach dem Bombing-Verfahren zu arbeiten sind genauere Objekt spezifische Kentnisse notwendig, deshalb wird hier nicht weiter darauf eingegangen. Die Hersteller der für dieses Verfahren benötigten Geräte bieten dazu auch die zu den Prüfobjekten notwendigen Arbeitsunterlagen an. 4.5. Prüfobjekte und Hilfsmittel Der Erfolg der Dichtheitsprüfungen und Lecksuchen ist nicht nur von den eingesetzten Leckdetektoren sondern auch von dem Zustand des zu prüfenden Objektes und den eingesetzten Hilfsmitteln abhängig. Dabei kann unterschieden werden zwischen den Forderungen für die Prüfungen allgemein Vakuummethoden Überdruckmethoden lntegraltests Für alle Prüfungen muß das Objekt sauber und trocken sein, wenn sichere Ergebnisse erreicht werden sollen. Nach einer Wasserdruckprobe können nach dem Vakuumverfahren Lecks kleiner 1o- 2 mbar*l/ s auch bei einer Leckratenanzeige im Bereich von 10-1 mbar*l/ s nicht gefunden werden. Selbst mit 10 bar Überdruck im Prüfling ist ein solches Leck nicht einwandfrei zu erkennen. (Nach einer Veröffentlichung von ING. K.- O. Cavalar, Bayer AG. in "Vakuum-Technik" Heft 7, 29. Jahrg.) Alle über den Lecks stehenden Flüssigkeiten verschließen die Kanäle. Ebenso kann an beschichteten oder gestrichenen Objekten keine einwandfreie Dichtheitsprüfung erfolgen, selbst nach Entfernen der Schichten sind die Leckkanäle nicht immer frei. Auch Nickel oder ähnliche Beschichtungen führen oft zu falschen Ergebnissen bei der Bestimmung der Leckstelle und der Leckrate, denn alle Beschichtungen sind nicht auf der gesamten Fläche fest mit dem Grundmaterial verbunden. Dadurch kann das Testgas durch eine Pore in der Beschichtung in den Zwischenraum gelangen und weiter zu einem Leck im Grundmaterial ziehen. Oft werden bei der Lecksuche die Lecks auch an Objekten, die durch andere Verfahren als undicht festgestellt wurden, nicht gefunden, besonders wenn diese einige Tage in feuchter Atmosphäre gelegen haben. Um verstopfte Leckkanäle frei zu bekommen, hilft nur Erhitzen der vermuteten Leckstellen auf möglichst 200 °C und dabei den Prüfling zu evakuieren. Bei dickem Material, über 5 mm, sind einige Stunden dafür notwendig. Soll eine Vakuummethode zur Dichtheitsprüfung eingesetzt werden, wird durch Feuchtigkeit im Prüfobjekt der erreichbare Enddruck verschlechtert, es kann dann oft nur nach dem Teilstromverfahren mit der geringeren Empfindlichkeit 95 <?page no="108"?> und dem größerem Aufwand gearbeitet werden. Ebenso sollen sich keine Feststoffe mit hohem Dampfdruck z.B. Kunststoffe, im Objekt befinden. Kritische Hilfsmittel sind auch die Zuleitungen vom Prüfling zum Detektor. Auch hier sollten keine Leitungen aus Kunststoff eingesetzt werden. Die zwar praktischen Schläuche aus PVC haben zwei Nachteile, der in der Luft befindliche Wasserdampf diffundiert ins Material und es wird sehr viel Zeit gebraucht, um den benötigten Einlaßdruck zu erreichen, das durch Lecks des Prüflings auch in die Leitungen kommende Helium diffundiert ebenfalls in den Kunststoff. Dadurch wird zwar nicht der Druck aber der Untergrund der Leckratenanzeige vergrößert, der Abbau kostet auch viel Zeit. Deshalb sollten Schläuche aus Metall wie korrosionsfestem Stahl oder Tombak verwendet werden. Ein weiteres wichtiges Hilfsmittel besonders beim Teilstromverfahren ist das zur Regelung des Gasstromes vom Hauptstrom in den Leckdetektor notwendige Dosierventil. Günstig sind Ventile mit gerader Kennlinie und großem Regelbereich. Müssen Prüfungen durchgeführt werden, bei denen im Hauptstrom große Druckunterschiede vorkommen, sollten mehrere Regelarmaturen vorhanden sein, die sich im Regelbereich überschneiden. Da die min. und max Durchflußmenge immer für die Druckdifferenz von 1000 mbar angegeben wird, kann die Umrechnung für andere Drücke nach Formel 1 erfolgen. Dünnwandige Schweißkonstruktionen z.B. Verdampfer von Kühlmaschinen sollten nicht nach einer Vakuummethode geprüft werden. Durch den Außendruck können die in den Schweißnähten vorhandenen Lecks so fest verschlossen werden, das kein Helium in den evakuierten Raum einströmen kann. Bei der Überdruckmethode sind die Leckstellen offen und können leicht gefunden werden. Beim lntegraltest nach der Überdruckmethode ist zu beachten, daß durch am Prüfling eingesetzte elastische Dichtungen Helium diffundiert und dadurch das Ergebnis verfälscht. Dies ist besonders bei über Stunden gehende Standzeiten der Fall. So diffundieren durch eine Dichtring DN 150 mit 5 mm Schnurstärke aus Silikon ca. 1*10-4 und aus Perbunan oder VITON 1 *1 o-s mbar*l/ s Helium bei 1 bar Druckdifferenz. Deshalb ist es wichtig diese Flanschverbindungen zu umhüllen, damit das austretende Testgas nicht in das eigentliche Meßvolumen der Haube oder Hülle gelangt. Zum Hüllentest noch ein besonderer Hinweis. Die Hülle besteht in den meisten Fällen aus einer handelsüblichen PE-Folie, durch dieses Material dringen bei 0,06 mm Stärke, einer Fläche von 1 m2 und 1 mbar Druckdifferenz 1,37*10-1 cm3 (NPT) Helium pro Stunde. Da der Druckanstieg des Testgases 50% des Anfangswertes betragen sollte, beträgt die kleinste Differenz 2,5*1 o- 3 mbar und damit der Gasdurchlass 3,42*10-4 cm3/ h*m2, dies entspricht einer Leckrate von 1*10-1 mbar*l/ s Helium. Bei kleinen geforderten Leckraten, großen Flächen und langen Standzeiten kann durch diese Gasdurchlässigkeit in der berechneten Leckrate ein Fehler auftreten. Diese Angaben sind nur Anhaltswerte, da der Permeatioskoeffizient von der Materialqualität abhängt, angegeben werden 200 bis 500 * 10-12 eingesetzt wurden 300 * 10-12 cm3/ (m 2 *24h*atm). Dieser Hinweis hat aber für die Praxis keine Bedeutung wenn eine entsprechende Folie eingesetzt wird. Nach den für die Dichtheit gestellten Bedingungen wird 96 <?page no="109"?> die notwendige Standzeit berechnet, ist danach die Heliumkonzentration angestiegen muß ein Leck vorhanden sein, das gesucht und beseitigt werden muß. Die genaue Größe der Leckrate wird dabei nicht benötigt. Soll die Dichtheit von Rohren in Bauteilen z.B. Wärmeteauschern durch einen Überdruck-lntegraltest geprüft werden, muß noch ein Punkt beachtet werden. Bei dieser Prüfung wird gleichzeitig die Befestigung der Rohre in den Rohrböden getestet. Dazu wird der Rohrraum über die Böden durch Folie abgeschlossen und der Mantelraum mit Testgas gefüllt. Die benötigte Standzeit ergibt sich als erstes aus dem durch die Folien abgeschlossenem Volumen, dazu kommt als zweiter Punkt die Diffusionszeit des Testgases bei einem Leck in Rohren von der Leckstelle bis zum Rohrboden. Diese Zeit ist von der Entfernung des Lecks bis zum nächste Rohrboden, vom Luftdruck im Rohr und dem Durchmesser abhängig. Die Formel zur Berechnung der Zeit bei Diffusion von Helium durch Luft lautet: t 0 = 4*10-6 * 12 * (1/ d + 100*p) in Sekunden Darin ist t 0 1 d p Diffusionszeit Sekunden Entfernung cm Rohrdurchmesser cm Luftdruck im Rohrmbar Für Atmosphärendruck im Rohr wird die Formel zu: t 0 = 0,4 * 12 Sekunden (42) danach ist für 1 = 1 m (100 cm) t 0 = 4000 s rund 1 Stunde. Dieses Beispiel zeigt, daß bei kleinem Volumen aber langen Rohren, wenn keine Verwirbelung innerhalb des abgeschlossenen Volumens möglich ist, die Diffusionzeit berücksichtigt werden muß. 4.6. Prüfprotokoll und Dokumentation Um bei den Prüfungen der Dichtheit und der Lecksuche einwandfreie Ergebnisse zu erhalten ist es notwendig, daß das zu prüfende Objekt trocken und sauber ist. Wenn dies nicht der Fall sein sollte, muß der Prüfer auf die Möglichkeit von falschen Meßergebnissen schon vor der Prüfung hinweisen und dies auch in der Prüfanweisung und dem Prüfprotokoll erwähnen. Nach Abschluß der Prüfung muß das Ergebnis mit den einzelnen Schritten für den Auftraggeber festgehalten werden. Dieses Protokoll soll so ausführlich gehalten werden, daß die ausgeführte Prüfung in der gleichen Art auch von einem anderen Prüfer wiederholt werden kann. Dazu muß das Protokoll in einer bestimmten Ordnung aufgebaut und die Reihenfolge der einzelnen Punkte in allen Berichten gleich sein. Die unbedingt notwendigen Angaben sind: 97 <?page no="110"?> 1. Bezeichnung des zu prüfenden Objektes, Bauteils oder Anlage mit den unverwechselbaren Kennzeichen wie Fabrikations- oder Zeichnungsnummer. Sind die Zeichen an versteckter Stelle angebracht, soll diese beschrieben werden. Für Anlagen sollten die vom Betreiber genannten Bezeichnung übernommen werden. 2. Als nächstes wird nach dem Prüfungsort gefragt, denn davon sind die zur Durchführung der Prüfung notwendigen Aufwendungen abhängig. In einem zur Dichtheitsprüfung eingerichtetem Prüffeld kann die Arbeit leichter als auf einer Baustelle durchgeführt werden. Sind besondere Schwierigkeiten zu erwarten sollte darauf hingewiesen werden. 3. Nun wird die gestellte Prüfungsaufgabe aufgeführt. Unter diesem Punkt sollen die Forder~! 'lgen angegeben werden, wie Lecksuche oder lntegraltest, Vakuum- oder Uberdruckmethoden, zulässige Leckrate. Dazu gehören auch bei Vakuummethoden der geforderte Druck und bei Überdruckmethoden der Fülldruck des zu prüfenden Objektes, sowie der Heliumanteil im Testgas bei Angabe der Leckrate. Liegt eine Prüfanweisung vor, kann diese angeführt werden. Unter den nächsten Punkten ist die ausgeführte Prüfung mit allen Einzelheiten und den erreichten Meßergebnissen zu beschreiben. Dieser Teil muß besonders sorgfältig ausgeführt werden, damit später falls Unklarheiten auftreten, der Ablauf der Prüfung mit den einzelnen Meßergebnissen und Berechnungen nachvollzogen werden kann. 4. Eine wichtige Angabe ist der Zustand des Prüflings, darunter fällt die Vorgeschichte z.B. Endkontrolle nach Fertigung, vor oder nach einer Reparatur, durchgeführte Reinigung ohne oder mit Ausheizen bei wieviel Grad und wie lange. Eine ganz wichtige Angabe ist der Hinweis auf eine vor der Prüfung durchgeführte Wasserdruckprobe mit der Nachbehandlung. 5. Als nächstes ist der Aufbau der Prüfeinrichtung zu beschreiben, günstig und am einfachsten ist eine Schemaskizze, darin können alle eingesetzten Meßgeräte, Ventile, Leitungen, Pumpen und der Leckdetektor eingetragen werden. Bei den eingesetzten Geräten sollen auch die Art, Typen, Meßbereiche, Pumpengrößen und der Hersteller aufgeführt werden. Für den Leckdetektor ist zusätzlich die durchgeführte Justierung einschließlich des dazu benutzten Testlecks anzugeben. Damit sind die Vorarbeiten zur Prüfung und im Protokoll abgeschlossen. 6. Die nun beginnende eigentliche Prüfung ist in allen Schritten schriftlich festzuhalten. Dazu gehören nicht nur die Meßergebnisse sondern auch die ausgeführten Handgriffe wie Umschalten von Ventilen bei welchen Drücken und nach welcher Zeit. Beim lntegraltest darf bei Vakuummethoden das Testgas erst nach Anschluß des Detektors und Erreichen des Ausgleichsdruckes und bei Überdruckmethoden nach Fertigstellung der Hülle oder Aufsetzen der Haube eingelassen werden. In beiden Fällen ist die Zeit bis zum Beginn der Leckratenanzeige genau anzugeben. Soll bei der Lecksuche auch die Leckrate gemessen werden, muß die Methode beschrieben werden, ob Ver- 98 <?page no="111"?> gleich mit Testleck, örtliche lntegralmethode, oder nur Besprühen bis konstante Anzeige. Dieser ganze Ablauf der Prüfung soll auf extra Blättern aufgeführt werden. Aus diesen Aufzeichnungen werden die zur Berechnung der Leckrate und zur Beschreibung der Leckstellen notwendigen Angaben herausgezogen, um damit das Ergebnis zu erstellen. 7. In den meisten Fällen wird auf dem eigentlichen Protokollblatt bei der Lecksuche nur die Anzahl der Leckstellen, beim lntegraltest die aus der Messung berechnete Leckrate angegeben. Konnte die Prüfung nicht nach der Vorschrift durchgeführt werden, müssen die abweichenden Werte z.B. Drücke, Testgasmischung aufgeführt sein. Als Endergebnis zum Vergleich mit den unter Punkt 3 angegebenen Bedingungen, können nun die protokollierten Meßergebnisse auf die geforderten Werte umgerechnet und beurteilt werden. Die gesamten bei der Prüfung erstellten Unterlagen müssen zusammen gefasst, die einzelnen Blätter numeriert und vom dem Prüfer mit Datum unterschrieben werden. Auf dem Deckblatt muß die Anzahl der Blätter angegeben sein. Damit ist die Prüfung abgeschlossen. Nochmals der Hinweis: Die für und bei der Prüfung erstellten Unterlagen und Meßergebnisse müsse so ausführlich und verständlich sein, daß die Prüfung sowohl praktisch wie auch theoretisch nachvollzogen werden kann. 99 <?page no="112"?> IV. BEISPIELE AUS DER PRAXIS Zum Abschluß der Abhandlung sollen noch einige Beispiele von durchgeführten Prüfungen beschrieben werden. Dabei wurden die einfachen Methoden wie Dichtheitsprüfungen kleiner Bauteile und Ventile, die meistens mit Tischgeräten und automatischem Ablauf der Prüfung ausgeführt werden, nicht ausführlich behandelt. Ausgewählt wurden Prüfungen, die zwar nicht von jedem Prüfer durchgeführt werden müssen aber sicher für manche Aufgabe Anregungen zur Lösung geben können. Für die Vakuummethoden wurde besonderer Wert auf das Arbeiten und die vorher notwendigen Überlegungen und Berechnungen beim Einsatz des Teilstrom- Verfahrens gelegt Auf dem Gebiet der Dichtheitsprüfungen muß zwischen verschiedenen Aufgaben unterschieden werden. Die meisten Prüfungen dienen zur Kontrolle von Fertigteilen, die eine bestimmte Dichtheit besitzen müssen. Da sich diese Arbeiten immer wiederholen und meistens nach dem gleichen Verfahren ablaufen, wurden dazu keine Beispiele angeführt. Der Aufbau und die Einrichtung zur Prüfung wird einmal erstellt, es ändern sich höchsten die notwendigen Anschlußstücke oder Prüfkammern. Ganz andere Aufgaben kommen auf den Prüfer zu, wenn die Dichtheitsprüfungen als Dienstleistung ausgeführt werden. Dazu zählen nicht nur die Unternehmen für zerstörungsfreie Prüfverfahren sondern auch selbstständige Reparatur- oder Kontrollabteilungen in großen Werken. Die in diesen Betrieben beschäftigten Prüfer werden vor die verschiedensten Aufgaben gestellt und müssen sehr oft nach Möglichkeiten zur Durchführung der Prüfung suchen. Dabei ist es sehr wichtig schon vor Festlegung der Prüfmethode aus den vorhandenen Unterlagen den Ablauf theoretisch zu bestimmen und zu berechnen. Um besonders diesem Prüfpersonal einige Anregungen aus der Praxis, durch die Überlegungen und vorher durchgeführten Berechnungen sowie der Beschreibung des Ablaufs der Prüfung, zu geben, wurden aus dem Bereichen der Vakuum- und auch der Überdruckverfahren einige vom Autor durchgeführte Dichtheitsprüfungen und Lecksuchen zusammengestellt. 100 <?page no="113"?> 5. Vakuumverfahren Als erste Gruppe sollen Prüfungen nach den Vakuumverfahren beschrieben werden. Bei diesen Arbeiten muß sehr oft das Teilstromverfahren eingesetzt werden, weil das Saugvermögen des Helium-Detektors nicht ausreicht, um die aus dem Prüfobjekt anfallenden Gasmenge abzusaugen. Selbst bei sehr sauberen Prüfobjekten, die zur Prüfung bis in den Hochvakuumbereich evakuiert werden müssen, kann auf den Einsatz des Teilstromverfahrens nicht verzichtet werden. Dabei werden anstelle der Feinvakuumpumpen Pumpsätze aus Diffusions- oder Molekularpumpen mit den entsprechenden Vorpumpen eingesetzt. In Abschnitt 5.5 wird dieses Problem eingehend behandelt. 5.1 Bestimmen der Prüfmethode Aufgabe: Ein Gasbehälter von 10 Liter Volumen ist mit Stickstoff von 200 bar Überdruck gefüllt und verschlossen. Das Gas dient als Treibgas für ein raketenänliches Objekt, Da es über längere Zeit einsatzbereit sein muß, darf der jährliche Druckabfall maximal 1 % betragen. Mit der bisherigen Dichtheitprüfung hat es beim Einsatz der Behälter Ausfälle wegen zu großem Druckabfall gegeben, deshalb soll eine Prüfung mit einem Helium-Detektor eingesetzt werden. Aus Preisgründen darf der Heliumanteil im Füllgas höchstens 10 % betragen. Gefertigt wird in Losen von ca. 50 Stück. Die Gasbehälter werden fertig gefüllt zur Prüfung angeliefert. 1. Bestimmung der zulässigen Leckrate in mbar*l/ s. Inhalt 2*103 bar*I davon 1 % Verlust= 20 bar*I pro Jahr sind 2*104 mbar*l/ a / 3, 154*107 Sekunden/ a = 6,34*1 o-4 mbar*l/ s Da nur 10 % Helium im Gas sind beträgt die Helium-Leckrate qLHe = 6,34*1 o- 5 mbar*l/ s Zur Berechnung gewählte Helium-Leckrate mit ca. 20 % Sicherheit qLHe = 5*10· 5 mbar*l/ s ================= (20) 101 <?page no="114"?> 2. Auswahl der Prüfmethode. Da es sich um die Leckrate eines Gasbehälter handelt muß ein lntegraltest durchgeführt werden. Bei einer Losgröße von 50 Stück kann dafür eine feste "Haube" erstellt werden. Nach des Maßen des Prüfobjektes beträgt das freie Volumen des Aufnahmegefässes 40 Liter. Als Prüfungen kommen in Frage: 2a. Überdruckmethode Aufbau nach Bild 4.10 2b. Vakumm-Überdruckmethode Aufbau nach Bild 4.9 ohne Gasanschluß 2a. Da die Überdruckmethode den geringeren Aufwand erfordert, soll sie zuerst betrachtet werden (Beschreibung in 4.3.2.) Benötigter He-Druckanstieg in der Haube: PHe = 5*10-3 mbar Volumen der Haube: Zulässige Leckrate Helium: Daraus die benötigte Standzeit (Formel 33) V= 40 Liter qL = 5*1 o-5 mbar*l/ s tmin = (5*1 o- 3 * 40) / 5*10-5 = 4*103 Sekunden = 66,6 min Die benötigte Standzeit würde 70 min betragen, damit die reine Prüfzeit für 50 Stück t = 58 Stunden. Als Helium-Detektor könnte ein Gerät eingesetzt werden, das nur für den Schnüffelbetrieb eingerichtet ist. Da diese Prüfzeit aber zu lang ist, soll auch die zweite Möglichkeit, die Vakuum-Überdruckmethode untersucht werden. ============================= 2b. Die Vakuum-Überdruckmethode erfordert einen Helium-Leckdetektor nach Gegen- oder Hauptstromprinzip und eine Hilfspumpe. Bei der Auswahl des Gerätes sollte auch auf die notwendige Wartung, und die Zugänglichkeit der zu überwachenden Komponenten wie Pumpen und Meßfühler geachtet werden. Aus den von den verschiedenen Herstellern angebotenen Helium-Leckdetektoren als Tisch- oder Kompaktgeräten wurde zur Untersuchung der Vakuummethode ein Gerät mit folgenden techn. Daten eingesetzt. Meßbereich, Hilfspumpe, 2•10-11 bis 1*10-1 mbar*l/ s Helium 2 stufige ölüberlagerte Drehschieberpumpe 20 m3/ h gleichzeitig Vorpumpe für HV-Pumpe Hochvakuumpumpe, Turbomolekularpumpe 130 1/ s Arbeitsprinzip, Hauptstrom mit 20 1/ s Gegenstrom mit 4,4 1/ s Saugvermögen für Helium Einlaßdruck, Hauptstrom 2*10-2 mbar Gegenstrom 6,0 mbar Anzeigebereich, Hauptstrom 10- 11 bis 10-2 mbar*l/ s Gegenstrom 1 Q-8 bis 1 o- 1 mbar*l/ s 102 <?page no="115"?> Arbeitsablauf, automatisch, Vorpumpen, Umschaltenauf Haupt- oder Gegenstromprinzip, Messen der Leckrate. Ablauf der Prüfung: Einsetzen des Prüfobjektes in den Aufnahmebehälter von 40 Liter Volumen. Evakuieren des Behälters von 1000 auf 0,02 mbar mit der Hilfspumpe (Saugvermögenen "S" = 20 m3/ h). Dann beträgt die Auspumpzeit (Formel 11): Effektives Saugvermögen S 8 tt = 5 I/ s Volumen zu Evakuieren V = 40 Liter Anfangsdruck Po = 1000 mbar Enddruck p 1 = 0,02 mbar In 1000/ 0,02 = 10,8 t = (40 / 5) * 10,8 = 87 Sekunden Da das Prüfobjekt schon vor dem Einbringen in die Haube mit Überdruck gefüllt ist, strömt bei einem vorhandene Leck laufend Gas aus. Nach dem Umschalten auf den Detektor wird sofort eine Leckrate angezeigt, es muß nur der Ausgleichsdruck durch das andere Saugvermögen des eingesetzten Detektors abgewartet werden, diese Zeit kann ca. 30 Sekunden dauern. Damit ergibt sich eine Prüfzeit von max. 120 Sekunden = 2 Minuten je Prüfobjekt und damit für 50 Stück t = 100 Minuten 3. Ergebnis und Zusammenfassung. Die Berechnungen zeigen.daß mit dem Vakuumverfahren eine weit kürzere Prüfzeit erreicht wird. 70 Minuten Standzeit beim Überdruck und 2 Minuten Prüfzeit (Auspumpen und Prüfen) beim Vakuumverfahren. Ein weiterer Vorteil des Vakuumverfahrens ist die höhere Empfindlichkeit, dadurch kann der Heliumanteil im Füllgas von 10 % auf 1 % verringert werden. Die Heliumrate beträgt dann 5*1 o-s mbar*l/ s. ============ 4. Durchführung der Prüfung. Zur Prüfung wurde der für die Untersuchung der optimalen Prüfmethode ausgewählte Helium-Leckdetektor eingesetzt. Bild 5.1 zeigt den Prüfaufbau und das Funktionsschema des Detektors. In der Beschreibung einer durchgeführten Prüfung ist auf die Bezeichnungen der Bauteile Bild 5.1 Bezug genommen. 103 <?page no="116"?> ..... 0 "" 1 Prüfobjekt 2 "Haube" ,Aufnah■e für Prüfobjekt 3 Deckel ■ it Dichtung für Haube 4 Ventil (Belüften und für Testleck) 5 Vakuu■■eter für Prüfeinrichtung 6 Absperrventil zur Haube Funktionscbe11a,des Detektors 7 Einlaßflansch des Detektors 8 Meßzelle für Einlaßdruck 9 Belüftungsventil 10 Vorvakuu■ventil 11 Testventil 12 Auslaßventil der MolekularpullJ>e 13 Meßzelle für Auslaßdruck 5. 3~ 2 '---- - - -- - 14 Molekularpu■pe (Hybridpuape) 15 Vorpuape (Drehschieber 2 stufig) 16 Analysenzelle, Massenspektro■eter 17 Belüftungsventil f.Pumpe Alle Ventile des Detektors arbeiten auto ■atisch, gesteuert durch die Meßgeräte. -, 1 1 1 - -..J Bild 5.1: Prüfaufbau zum Vakuum-lntegraltest eines abgeschlossenen mit Überdruck gefüllten Behälters und Funktionsschema des Helium-Detektors <?page no="117"?> Als der Detektor betriebsbereit war wurde am Anschluß 7 ein Testleck mit einer Leckrate von 4*1 o-s mbar*l/ s angebracht und das Gerät damit justiert. Danach wurde die Prüfeinrichtung an Anschluß 7, das Testleck an Ventil 4 angeschlossen und Absperrventil 6 geöffnet. Nach 120 Sekunden war in der "Haube" nach Vakuummeter 5 der Druck von 0,02 mbar erreicht, dabei schaltete der Detektor von Auspumpen auf Hauptstromprinzip. Durch Absprühen mit Helium wurde eine Lecksuche an der Prüfeinrichtung durchgeführt. Da kein Leck gefunden wurde, konnte mit dem am Ventil 4 angeschlossenem Testleck die Funktion des Prüfaufbaues überprüft werden. Nach Schließen des Ventils 4 und Belüften der Haube war die Anlage für die Prüfung der Behälter bereit. Ergebniss einer durchgeführten Prüfung Nach Einbringen des Prüfobjektes, Testgas mit 1 % Helium, wurde Ventil 6 geöffnet und die Haube evakuiert. Nach ca. 100 Sekunden war der Einlaßdruck von 0.02 mbar erreicht. Der Detektor arbeitet nach dem Hauptstromprinzip. Anzeige der Leckrate von O auf 2,4*10-10 mbar*l/ s Helium, 50 Sek. nach Umschalten vom Evakuieren auf Messen konstante Anzeige. Berechnen der Leckrate nach Formel 20 (qL = qLA * 1 00/ x%). Leckrate Helium: 2,4* 10-10 mbar*l/ s AnteilHelium: 1 % qL = 2,4•10-10 * 100/ 1 = 2,4•10-s mbar*l/ s ===============================· Da die Leckrate um den Faktor 2,6*10 4 kleiner als die zugelassene von 6,34*10-4 mbar*l/ s ist, kann die Prüfung beendet und das Prüfobjekt als "gut" beurteilt werden. Zur Information soll der jährliche Druckverlust "qv" bei dieser Leckrate berechnet werden. qv = 2,4•10-s mbar*l/ s * 3,154*10 7 Sekunden/ a = 0,757 mbar*l/ a bei einem Volumen von 10 Litern beträgt der Druckabfall "p" p = 0,757 mbar*l/ a / 10 Liter = ca. 0,08 mbar/ a. Zugelassen ist ein Druckabfall von 2 bar = 2000 mbar/ a. Damit ist die Prüfung abgeschlossen. ============================= 105 <?page no="118"?> 5.2 Vakuum-Hüllentest, Teilstrom Aufgabe Ein Spiralgehäuse aus .Gußmaterial für.eine Flüssigkeitspumpe einer Chemie- Anlage soll auf Dichtheit geprüft werden. Die noch zulässige Leckrate muß kleiner 1 *1 o-e mbar*l/ s bei 1 bar Druckdifferenz sein. Die hohe Dichtheit wird wegen der Gefährlichkeit des durch die Pumpe geförderten Produkts, das beim Austritt an die Luft sofort verdampft, gefordert. Das Volumen des mit Blindflanschen verschlossenen Gehäuses beträgt 15 Liter. Als Dichtungen werden Rundschnurringe aus Perbunan, die aus einer am Stoss geklebten Schnur hergestellt werden, eingesetzt. Es sind mehrere Exemplare zu prüfen. Zur Prüfung stehen zur Verfügung: Leckdetektor: Transportables Gerät nach dem Hauptstromprinzip, dabei steht für die Kühlfalle kein fl. Stickstoff zur Verfügung. Techn. Daten: Empfindlichkeit "E" = 2*10-10 mbar*l/ s He Saugvermögen am Einlaß "So"= 16 I/ s für He Saugvermögen am.Einlaß . = 6I/ s für Luft zulässiger Einlaßdruck "p 0" = 1*10-4 mbar Hilfspumpe: Zweistufige ölüberlagerte Drehschieberpumpe Techn. Daten: Saugvermögen "Sp"= 0,5I/ s Endvakuum "pp"= 3*10-4 mbar Konstantes "Sp" ab "pp"= 0,08 mbar .bis "pp"= 8 mbar Druckmeßgerät: Thermoelektrisches Vakuummeter Zubehör wie: Meßbereich von 0,01 bis 100 mbar. Ventile, Schläuche, Bauteile und Dichtungen zum Aufbau der Prüfeinrichtung. Alle techn. Angaben aus Unterlagen des Herstellers der Geräte. 2. Vorbereitungen Nach dem Zustand der zu prüfenden Bauteile mit den notwendigen Dichtungen an den großen Flanschen, kann die Prüfung nur als lntegraltest (Hüllentest) nach dem Vakuum-Teilstromverfahren durchgeführt werden. Da von dem gleichen Objekt mehrer Exemplare geprüft werden müssen, und aus Erfahrung kein gleichmäßiger Ausgleichsdruck erwartet werden kann, wurde vorher eine Meßreihe zur Bestimmung des Faktors "k'' aufgenommen. 106 <?page no="119"?> Durchführung der Messungen Mit den zur Verfügung stehenden Geräten und Bauteilen wurde der Aufbau, wie zur Prüfung vorgesehen, erstellt. Der Druck im Hauptstrom "PH" konnte durch Lufteinlaß verändert werden, das Testgas Helium strömte laufend durch ein Kapillarleck mit der Leckrate 2*10-4 mbar*l/ s in den Hauptstrom. Der Einlaßdruck des Detektors wurde durch Reglung des Dosierventils immer auf· 8*10-5 mbar eingestellt. Ergebnis der Meßreihe Im Bereich von PH = 0,1 bis 1,0 mbar beträgt der Faktor k = PH * 225 Damit kann bei der Prüfung aus der Anzeige des Detektors"qLA" mal dem Faktor "k" die wirkliche Leckrate berechnet werden. qL = qLA * k = qLA * (225*pH) mbar*l/ s bei 100 % Helium bei x % Helium im Testgas qL = qLA * k * 1OO/ x% mbar*l/ s Bei der noch zulässigen Leckrate von 1 *1 o-s mbar*l/ s würde sich bei dem Druck von "PH" mbar die Anzeige "qLA" einstellen qLA = 1*10-6 / k = 1*10-6 / ( PH * 225) mbar*l/ s bei 100 % He Bei PH = 0,5 mbar und 25 % Helium wird qLA = 2,2*10-9 mbar*l/ s Die Anzeige liegt auch bei 25 % Helium noch im Meßbereich des Detektors. 3. Durchführung der Prüfung Den Aufbau zur Prüfung zeigt Bild 5.2. Nach dem Aufbau und der Inbetriebnahme wurde die Dichtheit bei geschlossenem Ventil 10 durch Absprühen mit Helium überprüft. Nach Evakuieren des Prüfobjektes und Anschließen des Detektors wurde bei den zur Prüfung angebrachten Flanschen eine Lecksuche vorgenommen. Dabei wurden mehrere Lecks festgestellt. Die Flansche mußten abgenommen werde. Besonders stark undicht waren die zur Prüfung gefertigten Rundschnurringe an den Klebestellen. Auch die Dichtflächen mußten nachbearbeitet werden. Zur zweiten Prüfung wurden anstelle der O-Ringe Flachdichtungen eingesetzt, damit konnte bei der Lecksu~ ehe keine Leckstellen gefunden werden. Nun wurde das Prüfobjekt in die Hülle 2 eingepackt, und mit der Hilfspumpe 3 auf den Ausgleichsdruck von PH = 2*1 o- 1 mbar evakuiert, der Leckdetektor angeschlossen und der Einlaßdruck auf PT = 8*10-5 mbar durch das Dosierventil 8 eingestellt. 107 <?page no="120"?> l Prüfobjekt 2 Hülle. Folie 3 Hilfspumpe 4 Leck-Detektor 5 Druck, Hauptstro■ 6 Einlaßdruck auch Teilstro ■ 7 Leckratenanzeige 8 Drosselventil 9 Kugelhahn 10 Absperrventil ll Dlindflansch Bild 5.2: Schemaskizze eines Aufbaues zu Hüllentest nach dem Vakuum-Teilstromverfah ren Dann konnte die Hülle nach Ausdrücken der Luft mit Helium gefüllt werden. Um bei der Berechnung der noch zulässigen Leckraten-Anzeige des Detektors auf der sicheren Seite zu liegen, wurde mit einem Heliumanteil von 25 % im Testgas gerechnet. Berechnung der zulässigen Anzeige. Der Faktor "k" beträgt bei PH = 0,2 mbar 0,2 „ 225 = 45 Die zul Leckrate ergibt die Anzeige: qLHe = 1*10-6/ 45 = 2,2*1 o-s Da mit 25 % Helium gerechnet wird, muß die Anzeige kleiner sein als: qLA = 2,2*1(FB / 100/ 25 = 5; 5*1(F9 mbar*l/ s Da auch nach Überschreiten der Ausgleichszeit ''tg5°' von 90 Sekunden (tg 5 = 3 * 15/ 0,5 nach Formel 19) keine Anzeige einer Leckrate erfolgte, wurde die Prüfung beendet. Das geprüfte Bauteil erfüllt die gestellten Bedingungen. ========================================== Hinweis aus der Praxis. Bei langen Dichtungen aus Elastomeren besteht bei dem Vakuum-lntegraltest die Gefahr, daß bei längerer Standzeit unter der mit Testgas gefüllten Haube oder Hülle Helium durch die Dichtungen in den Vakuumraum diffundiert und damit in den Detektor gelangt. Die Anzeige der Leckrate steigt langsam an. Des- 108 <?page no="121"?> halb sollten diese Prüfungen nach Überschreiten der Ausgleichszeit beendet werden, damit kein falsches Ergebniß angegeben wird. Bei einer dieser Prüfungen wurde dieser Effekt nach ca. 10 min Standzeit festgestellt, dabei betrug die Dichtungslänge ca. 2 m. ======================== 5.3 Dichtheitsprüfung eines Wärmetauschers (Hüllentest) Aufgabe: Ein neuer Wärmetauscher soll nach der Wasserdruckprobe auf Dichtheit nach dem Vakuumverfahren geprüft und falls notwendig eine Lecksuche zur Lokalisierung der Leckstelle durchgeführt werden. Die Gesamtleckrate darf 1*10-6 mbar*l/ s nicht überschreiten. Der Wärmetauscher wurde nach der Wasserdruckprobe über mehrere Stunden bei ca 80° C ausgeheizt und dabei evakuiert, mit einer zweistufigen Pumpe wurden 0.5 mbar als Enddruck erreicht. Daten des Rohrbündelwärmetauschers. Mantelraum 2,0 m3 Rohrraum 1,6 m3 länge 2,4 m Anzahl der Rore 1900 Bauart Produkt in den Rohren Erhitzung durch Dampf im Mantelraum Zu prüfendes Teil Beide Rohrplatten Für die Prüfungen stehen zur Verfügung: Ein transportabler Leckdetektor nach dem Gegenstromprinzip mit folgenden technischen Werten Empfindlichkeit Meßbereich zul. Gasstrom zul. Einlassdruck Saugvermögen 10-1 1 mbar*l/ s 8*10-11 bis 4*10-4 mbar*l/ s 0,2 mbar*l/ s 0,5 mbar 2,0 1/ ~ Helium Zweistufige Drehschieberpumpen verschiederner Größe mit Saugvermögen von 5 bis 50 m3/ h. Thermoelektrische Meßgeräte mit Meßbereich 10-2 bis 100 mbar Bauteile zum Erstellen eines Prüfaufbaues. 2. Berechnungen zur Durchführung der Prüfung Da nach dem Ausheizen nur ein Druck von 0,5 mbar erreicht wurde, wird die Prüfung nach dem Teilstromverfahren durchgeführt, dazu muß die geeignete Hilfspumpe bestimmt werden. 109 <?page no="122"?> zul. Leckrate Detektor mit Bereich 1 kleiner 1*10-6 mbar*l/ s Meßbereich 10- 10 bis 10-4 mbar*l/ s Berechnung des zul. Korrekturfaktors "k'' nach Formel 21 k = qL / qLA, dabei soll qLA möglichst im Meßbereich größer 1 *1 o-s mbar*l/ s Helium liegen k= 1*10-6/ 1*10-S= 100 Der zul. Gasstrom des Detektors entspricht dem Teilstrom "qrs" und beträgt beim Einlaßdruck von 0,5 mbar: qrs = 0,2 mbar*l/ s. Um zwischen dem Druck im Hauptstrom von 0,5 mbar und dem Einlaßdruck des Detektors ein ausreichenden Differenzdruck zu erhalten, wird der Druck im Teilstrom mit 0,25 mbar eingesetzt. damit wird der zul. Gasstrom qrs = 0,2/ 2 = 0, 1 mbar*l/ s. Der Korrekturfaktor "k" ist auch Hauptdurch Teilstrom, damit kann der Gasstrom im Hauptstrom nach Formel 23 sein: qHS = qTS * k qHS = 0, 1 * 100 = 10 mbar*l/ s, bei dem Druck von 0,5 mbar. Das zul. Saugvermögen "SHp" der Hilfspumpe beträgt dann: ~ = 10 t 0,5 - 20 l/ s = 20 *3,6 = 72 m 3 / h Aus den verfügbaren Geräten wurde die Pumpe mit 100 m3/ h = 27,7 I/ s Saugvermögen ausgewählt, das effektive Saugvermögen wird ca. 10 % niedriger liegen, damit ergeben sich folgende Werte für, die Auspumpzeit des Mantelraums "V" = 2 m3 nach Formel 11 t = V/ S * In pofp 1 = 2000/ 25 * In 1000/ 0,5 Sekunden t- 80 * 7,6 = 600 s = 10 Minuten die Ansprach und Ausgleichszeitzeit der Anzeige "qLA" nach Formeln 18 und 19: ta 3 = V/ S und t 95 = 3 * V/ S in Sekunden, 4l3 = Y/ S = 2000/ 25 = 80 Sekunden tss = 80 * 3 = 240 Sekunden = 4 Minuten Die genauen Zeiten und der Korrekturfaktor können erst nach dem Aufbau der Prüfanordnung durch Messung mit Hilfe eines Testlecks bestimmt werden. Durchführung der Prüfung, Die Prüfanordnung ist auf Bild 5.3 schematisch dargestellt. 110 <?page no="123"?> ..... ..... ..... Priifobje: kl 2 Abschlußteil 3 Folie 4 Hi 1f spu111pe 5 Leckdetektor f> Drosselventil 7 Ventile (Te~ll~ctl 8 Ahspcrrvent i J (Rauplstrom) 9 Valmu111111eter (Mantel 10 Mano11cter· (Rohre) 11 Abs per rven t i 1 l 2 Vakm11apu.111pc 13 Ventil Gaseinlaß ra 1 I 1r 1 7 ~-~: ~✓: -----\ , 1 1 1 1 1 1 J 1 1 I 1 ; ---4- 4 14--t" 1 1 1 1 1 1 ! J U Rollrböden 15.Rohre 16 Einlaßdruck (Teilstrom) J.7 Leck.rate 18 J)rosselventil Prüfaufbau zum Integraltest eine" Wärmetauschert~ nach dem Teilstromverfahren der Valmummetimde Bild 5.3: Prüfaufbau zum lntegraltest eines Wärmetauschers nach dem Teilstromverfahren <?page no="124"?> Nach dem Anschluß der Hilfspumpe 4 und des Vakuummeters 9 an den Mantelraum 1 des Prüfobjektes wird mit dem Auspumpen begonnen. Eine Seite des Rohrraumes 15 wird mit dem zugehörigem Anschluß 2 die andere Seite mit Folie 3 verschlossen. An den Anschluß 2 wird eine weitere Hilfspumpe 12 angesetzt die den Rohrraum auf 500 mbar evakuiert, dadurch ist sichergesellt, daß der Heliumanteil im Testgas 50 % beträgt und eine gleichmaßige Durchmischung erfolgt. Danach kann der Leckdetektor 5 an die Hauptleitung angeschlossen und seine Funktion überprüft werden. Nach Erreichen von 0,5 mbar im Prüfobjekt, nach Vakuummeter 9, wird über das Drosselventil 6 die zulässige Gasmenge von 0.1 mbar*l/ s in den Detektor eingelassen, dabei muß der Druck im Teilstrom nach Vakuummeter 16 auf 0,25 mbar eingestellt werden. Wird bei dieser Einstellung eine Leckrate angezeigt, muß durch Schließen des Absperrventils 8 der Prüfaufbau auf Dichtheit überprüft und wenn notwendig eine Lecksuche durchgeführt werden. Ist der Prüfaufbau in Ordnung wird Ventil 8 wieder geöffnet und der Ausgleichsdruck abgewartet. Wird noch immer eine Leckrate angezeigt, muß am Prüfobjekt nach dem Leck gesucht werden, dabei darf aber der Rohrraum noch nicht mit Helium beaufschlagt sein. Wird bei der Lecksuche keine Leckstelle gefunden, muß das Leck in einem der Rohrböden liegen. Da die Anzeige durch den Heliumanteil von 5 ppm in der Luft verursacht wird, liegt die Leckrate über dem zulässigem Wert. Die Abdeckungen der Rohrböden werden abgenommen und die Leckstelle durch Absprühen lokalisiert. Ist die gesamte Anlage in Ordnung, kann mit den Messungen begonnen werden. Zuerst wird der Korrekturfaktor "k" und dabei auch die Zeit t95 mit Hilfe des Testlecks am Ventil 7a nach Formeln 21 u. 19 bestimmt. Ergebniß der Messung, Druck im Hauptstrom PHs = 0,5 mbar Druck im Teilstrom Prs = 0,25 mbar, Einlaßdruck des Detektors Ausgleichszeit tg 5 = 5 Minuten Testleck qTL = 2,5*10·5 mbar*l/ s Anzeige im Detektor qLA = 2, 1 *1 o- 7 mbar*l/ s Der Ausgleich war nach 5 Minuten erreicht, Der Faktor "k" beträgt: k = QrL/ qLA = 2,5*10·5/ 2, 1*10· 7 = 119 Mit Hilfe des Drosselventils 18 wird der Druck im Hauptstrom konstant auf 0,5 mbar gehalten. Nun wird der Rohrraum, der inzwischen auf 500 mbar evakuiert wurde, mit Helium auf 1000 mbar gefüllt, damit beträgt der Heliumanteil 50 % und die angezeigte Leckrate darf nach 15 Minuten Standzeit max. betragen, 112 qLAmax = (qL/ k) / (100/ x%) = (1*10· 6 / 119) / (100/ 50) qLA = 8,4*1 Q-9 / 2 = 4,2*1 o-s mbar*l/ s <?page no="125"?> 10 Minuten nach dem Heliumeinlaß blieb die Anzeige der Leckrate konstant auf qLA = 8*10- 10 mbar*l/ s stehen. Danach beträgt die gesamt Leckrate nach Formeln 20 und 22 qL = qLA * k * (100/ x%) = 8*10-10 * 119 * (100/ 50) qL = 9,5*1 o-a * 2 = 1,9*1 o-7 mbar*l/ s Damit wäre der lntegraltest abgeschlossen denn die gemessene und danach berechnete Leckrate von: qL = 2*1 o-7 mbar*l/ s beträgt nur 20 % der zul. von qLzul = 1*10-6 mbar*l/ s Dieser Wert gilt aber nur für den augenblicklichen Zustand des Prüfobjektes. Dies ist besonders bei Prüfungen nach einer Wasserdruckprobe zu beachten. Der Prüfer sollte, damit er später keinen Ärger bekommt, auf einer Lecksuche zur Bestimmung und Beseitigung des wenn auch zur Zeit noch kleinen Lecks bestehen. Nach Untersuchungen und Erfahrungen bei durchgeführten Prüfungen sind die Leckraten der vorhandenen Lecks, durch die darin noch vorhandene Flüssigkeit, kleiner als im vollkommen trockenem Zustand. pyrchführung der Lecksuche, Nach Entfernen der Abdeckungen an den Rohrböden wird der Rohrraum von dem darin befindlichem Testgas befreit. Dies macht sich durch Fallen der Leckratenanzeige bemerkbar. Nach der bei der Bestimmung des Korrekturfaktors gemessenen Ausgleichszeit wird die Ansprechzeit ermittelt, te3 = tg5'3 = 5/ 3 = 2 Minuten Um bei der Lecksuche nur die Leckstelle zu bestimmen, ist es nicht notwendig während der ganzen Ansprechzeit zu sprühen, es genügt wenn die Leckratenanzeige anspricht. Um einen Anhaltswert für diese Zeit zu bekommen, kann die Totzeit nach Formel 14 berechnet werden. tr = V/ S * In qL/ (qL qLEl Sekunden tr = 2000/ 25 * In 2*10-7/ (2*10-1 - 1 *10-10) = 80 * 5*10- 4 = 0,04 s tr = 0,04 Sekunden Nach 0,04 Sekunden würde beim Ansprühen der Leckstelle im Anzeigebereich 113 <?page no="126"?> 10-10 mbar*l/ s ein Ausschlag beginnen, es genügt also eine Sprühzeit von ca 1 Sekunde auf die zu prüfende Stelle. Da anzunehmen ist, daß eine Rohreinschweißung undicht ist, müßten 3800 Stellen mit einem feinen Heliumstrahl besprüht werden. Um diese langwierige Arbeit zu verkürzen hat sich folgender Ablauf bewährt, mit einer kräftigen Heliumwolke wird der Rohrboden von oben nach unten beaufschlagt, dabei darf keine Strömung in die Rohre erfolgen. Das Helium wird zwar durch Diffusion zum anderen Rohrboden gelangen, deshalb muß die Prüfung der ersten Seite vorher beendet oder abgebrochen werden. Die Diffusionszeit durch die Rohre kann nach Formel 44 (Diffusion von Helium in Luft bei Atmosphärendruck) berechnet werden. t 0 = 0,4 * 12 in Sekunden wenn Länge "I" in cm t 0 = 0,4 * 2402 = 23040 s = 6,4 Stunden Wird beim Beaufschlagen mit der Heliumwolke ein Leck festgestellt, müssen die darüber liegenden Rohrreihen mit einem feinen Strahl abgesucht werden. Ist das Leck gefunden und beseitigt, sollte der lntegraltest oder die Lecksuche wiederholt werden um sicher zu sein, daß nicht noch weitere Leckstellen vorhanden sind. =============·======= 5.4 Lecksuche an einer Vakuumanlage mit ~igenem Pumpsatz {Vakuumofen mit Retorte zum Glühen und Härten) Aufgabe: Beim Arbeiten mit diesem Ofen zeigen sich, beim Einsatz einer bestimmten Retorte mit dazugehörigem Sockels, Anlauffarben auf dem Glühgut. Dies ist ein Zeichen, daß geringe Mengen Sauerstoff in die Retorte gelangen. Da der Arbeit~ druck von 5*10-2 mbar erreicht und gehalten wird, kann es sich nur um ein kleines Leck handeln. Mit Hilfe eines Helium-Leckdetektors soll die Leckstelle gefunden werden. Da die Anlage mit einem eigenem Pumpsatz ausgerüstet ist, muß nach dem Teilstromverfahren gearbeitet und geprüft werden, ob der vorhandene Detektor dafür geeignet ist. Diese dafür notwendigen Berechnungen werden nach den vorhandenen Unterlagen der Geräte-Hersteller durchgeführt Technische Daten des Vakuumofens Volumen der Retorte 114 Volumen des Ofenraumes (Stützvakuum) Arbeitsdruck in der Retorte Druck im Ofenraum 10 m3 20m3 5*10·2 mbar 20 bis 50 mbar <?page no="127"?> 10• / 4 RA 7001 + WAU 2001 + S •00 F AA5001 + WAU 1001 + (; : -,c: n t: AAJ001 + WAU 501 + S v; nFI 1 1 / I 1 / V 1 I 10' ,_ / ,- 1 '/ .,. -17"1 . / ' IJ ' \. ' -- ...... 1 I'r-.... I 1 10' 1 n 10· 1 10° 10' Druck· - Totaldruck SaugvermOgenskurven - - - - Par1ialdruck Bild 5.4: Saugvermögenskurven einiger Pumpsätze mit der im Beispiel eingesetzten Kombination RA 3001 aus Unterlagen des Herstellers Daten des Pumpsatzes nach Angaben auf Bild 5.4 Vorpumpe: Einstufige Drehschieberpumpe Saugvermögen 160 m3/ h Endpartialdruck 3*1 o- 2 mbar Endvakuum mit Gasballast 0,5 mbar Feinvakuumpumpsatz: 2 Wälzkolbenpumpen in Reihe Nennsaugvermögen 3000 m3/ h Saugvermögen 2900 m3/ h II 2900/ 3,6 = 800 1/ s Endvakuum des Pumpsatzes 2*10-3 mbar effektives Saugvermögen 435 1/ s durch Drosselung der Leitung von der Pumpe zum Ofen Länge 10 m , Nennweite DN 250, Rohrdurchmesser 25 cm (Formeln zu dieser Berechnung im Anhang-Formeln) Nach den Angaben des Betreibers diesen Ofens haben Leckraten kleiner 1o- 3 mbar*l/ s keinen Einfluß auf das Glühgut. Der Leckdetektor muß danach eine Heliummenge von 1 o-s mbar*l/ s noch erfassen, denn bei der Lecksuche wird das Leck sehr selten gleich mit 100 % He beaufschlagt. Da die meisten Helium- 115 <?page no="128"?> Leckdetektoren noch eine Helium-Leckrate von 1 o-9 mbar*l/ s erfassen, kann der Korrekturfaktor für Teilstromverfahren den Wert 104 erreichen. Technische Daten des vorhandenen Detektors Anzeigenbereich für He Saugvermögen für He im Hauptstrom zul. Einlaßdruck 5*10-11 bis 0, 1 mbar*l/ s 1 I/ s 0,1 mbar zul. Gaseinlaß = Teilstrom qLD = 0.1 mbar*l/ s Berechnung des "k"- Wertes aus Haupt durch Teilstrom Nach den Unterlagen des Pumpsatzes beträgt der Hauptstrom qHS = 435 I/ s * 0,05 mbar = 21,75 mbar*l/ s und aus den Unterlagen des Detektors der Teilstrom qrs = 1 I/ s * 0, 1 mbar = 0, 1 mbar*l/ s daraus der Wert für "k'' damit kann die Anzeige des Detektors bei der He-Leckrate von 1 *1 o- 5 mbar*l/ s nach Formel 22 ermittelt werden. qLA = qLHe / k = 5*10- 5 / 217,5 = 2,3*10- 7 mbar*l/ s Bei diesen berechneten Werten kann dieser Helium-Leckdetektor ohne Bedenken für die Prüfung eingesetzt werden. Die genaue Größe von "k" muß vor Beginn der Prüfung mit Hilfe eines Testlecks mit einer Leckrate im Bereich von 0,01 mbar*l/ s ermittelt werden. Eine weitere wichtige Größe sind die Tot- und die Ansprechzeit. Die Totzeit (Zeit vom Besprühen mit He bis zum Ansprechen des Detektors nach Gleichung 14 (tr = V/ S * In qL/ (qL qLE)tr = 104 1/ 435 I/ s * In 1 *1 o-5 / (1 *1 o-5 - 1 *1 o-9) = 2,3*1 o-a s 0,002 Sekunden nach Besprühen der Leckstelle würde der Leckdetektor ansprechen. Die Ansprechzeit t 63 beträgt 23 Sekunden und die Zeit t 95 = 3 * 23 = 69 Sekunden Nach diesen Ergebnissen bestehen keine Bedenken die Lecksuche mit diesen Geräten und dem Prüfaufbau durchzuführen. =================== Auf Bild 5.5 ist der Ofen mit der Vakuumeinrichtung und dem angeschlossenem Helium-Leckdetektor schematisch dargestellt. An Hand dieses Bildes soll der Ablauf einer Glühung kurz beschrieben werden. 116 <?page no="129"?> 1 Prüfobjekt 2 Retorte 3 Sockel 4 Ofenraum (Stützvakuum) 5 Vorpumpe 6 Wälzkolbenpumpen 7 Leckdetektor 8 Vakuu■■eter, Ofen 9 Meßstutzen, Ofen 10 Ventil, Ofen 1 2 4 10 11 Ventil, Retorte 12 Belüftungsventil 13 Belüftungsventil 14 Absperrventil _5 1----'--~-I H ~-....._~ 15 Belüftungsventil 16 Vakuuameter, Retorte 17 Vakuu■■eter, Puapsatz 18 Meßdurchführung 9o ~ 1 i-------o 19 Drosselventil 20 Einlaßdruck, Teilstro ■ 21 Anzeige, Leckrate --.J Bild 5.5: Vakuumschema eines Vakuum-Glühofens mit Retorte und Pumpsatz <?page no="130"?> Nach Beladen der Retorte 2 mit dem Glühgut wird der Ofen 4 auf den Sockel 3 gesetzt, die Vakuumleitung an Ventil 14 angeschlossen und Retorte 2 mit Ofenraum 4 durch die Vorpumpe 5 auf den Druck von 20 mbar evakuiert, dabei sind die Ventile 10 und 11 offen. Ist dieser Druck erreicht, schließt Ventil 10, die Wälzkolbenpumpen laufen nacheinander an und evakuieren die Retorte auf den Arbeitsdruck. Sollte der Druck im Ofenraum über 50 mbar ansteigen, wird nach Umschalten der Ventile 10 und 11 der Ofenraum durch die Vorpumpe nachevakuiert. Bleibt der Druck im Ofenraum innerhalb des zulässigen Wertes, beginnt die Glühung. Nach Ablauf der vorgegeben Glühzeit wird Ventil 14 geschlossen und der Pumpsatz abgeschaltet. Retorte und Ofenraum (Stützvakuum) werden auf Atmosphärendruck geflutet, die Retorte mit Schutzgas und der Ofen mit Luft. Dabei wird durch die Ventile 12 und 13 und über eine Differenzdruck-Steuerung verhindert, daß die Druckdifferenz zwischen Retorte und Stützvakuum über 50 mbar ansteigt. Dann wird der Ofen abgenommen, die Retorte kühlt unter einer aufgesetzten Schutzhaube ab. Zum Schutz gegen Überhitzung der Dichtungen zwische Sockel und Retorte sowie Sockel und Ofen befinden sich Kammern zur Wasserkühlung im Sockel, weiter sind in ihm Durchführungen für Strom- und Meßleitungen und oft ein Gebläse zur Gasumwälzung vorhanden. Beschreibung der durchgeführten Prüfung Nachdem der Ofen mit der beanstanteten Retorte zusammengesetzt war, wurde der automatisch ablaufende Vorgang zur Evakuierung von Retorte und Stützvakuum begonnen. Nach Erreichen des Ausgleichdruckes in der Retorte von 2*1 o- 2 mbar wurde nach Schließen des Ventils 14 der Leckdetektor 7 über Ventil 19 an die Hauptleitung angeschlossen. Während der Auspumpzeit war die Funktion des Detektors nach der Gebrauchsanweisung überprüft worden. An Ventil 15 war ein Testleck mit der Leckrate von 2,5*10· 4 mbar*l/ s angeschlossen. Der Einlaßdruck am Detektor war auf 0, 1 mbar eingestellt, die Leckratenanzeige betrug 2, 1 *1 o-e mbar*l/ s, damit ergibt sich nach der Messung für "k": k = 2,5*10-4 / 2,1*10-6 = 120. Die Ausgleichszeit betrug: 90 Sekunden Danach wurde eine Lecksuche am Pumpsatz und der Anschlußleitung zum Detektor duchgeführt. Es wurde keine Leckstelle festgestellt. Nun wurde Ventil 14 wieder geöffnet und die Retorte auf den Ausgleichsdruck von 2*10- 2 mbar evakuiert. Danach begann die Lecksuche an dem Sockel der Retorte, denn an diesem sind durch die angeschlossenen Bauteile meistens die Leckstellen, wenn die Retorte undicht ist. Es konnte aber kein Leck gefunden werden. Da die Leckstellen auch oft erst beim heißen Ofen auftreten, wurde er auf die übliche Glühtemperatur aufgeheizt und die Lecksuche, bei auf 6*1 o- 2 mbar angestiegenem Druck in der Retorte, wiederholt. Eine Leckstelle wurde nicht gefunden. Da der Druck im Stützvakuum am Vakuummeter 8 konstant blieb, konnte auch keine Dichtung am Sockel undicht sein. Es blieb nur noch eine Möglichkeit für das Eindringen von Sauerstoff in die Retorte und zwar: Beim Fluten des noch 118 <?page no="131"?> heißen Ofens kann bei einem Leck in der Retorte auch bei der geringen Druckdifferenz von max. 50 mbar Sauerstoff aus der eingelassenen Luft an das Glühgut gelangen. Um auch dies zu Prüfen wurde wurde der Ofen auf Handbetrieb geschaltet. Ventile 11 und 14 wurden geschlossen, die Wälzkolbenpumpe ausgeschaltet und Ventil 10 geöffnet, die Vorpumpe evakuierte den Ofenraum auf 1 mbar. Danach kam die Automatik wieder in Betrieb, nach Öffnen des Ventils 14 evakuierte der Pumpsatz die Retorte auf den Ausgleichsdruck von 5*10-2 mbar. Dann wurde über Ventil 12 Helium bis zum Druck von 40 mbar in den Ofenraum eingelassen. Nach 2 Minuten zeigte der Detektor bei dem Differenzdruck von 40 mbar eine Leckrate 9*10 4 mbar*l/ s an, dies ergibt mit k = 120 eine Leckrate von qL = 120 * 9*10 4 = 0, 108 mbar*l/ s Damit war der Grund des Anlaufens gefunden, die Leckstelle muß aber noch lokalisiert werden. Um diese Aufgabe durchzuführen muß der Ofen abgehoben werden und die Retorte abkühlen. Da nach Angabe des Herstellers die Retorte auch im kalten Zustand nur für einen Differenzdruck von max. 250 mbar ausgelegt ist, muß die Lecksuche nach der Überdruckmethode ablaufen. Damit der Heliumanteil möglichst hoch ist, wurde die Retorte nach dem Abkühlen auf 800 mbar evakuiert und dann bis zum Druck von 1200 mbar mit Helium gefüllt. Damit betrug der Heliumanteil 33 %. Durch die Druckdifferenz von 200 mbar gegenüber 40 mbar beim Vakuumverfahren steigt die Leckrate nach Formel 1 auf: qLÜ = 0, 1 * (12002 - 10002) / (402 - 0,052) = 27,5 mbar*l/ s Bei 33 % Heliumanteil beträgt die He-Leckrate 9 mbar*l/ s Diese Rate ist mit dem Schnüffler gut zu erfassen. Bei der Suche wurde das Leck an der Schweißnaht zwische Retortenwand und Flansch zum Sockel gefunden. Nach der Reparatur war diese Retorte in Ordnung. Die Prüfung war damit erfolgreich abgeschlossen. ======================== 5.5 Lecksuche an großen Vakuum-Produktionsanlagen (Kraftwerke, cliemische Anlagen) Bei der Lecksuche an großen Vakuumanlagen, wie in Kraftwerken und der chemischen Industrie vorhanden, sind einige Punkte zu beachten. Fallen nur trockene Gase an, kann die Lecksuche nach dem Teilstromverfahren durchgeführt werden, wie in Beispiel 5.4 beschrieben. Hat das abgepumpte Gas aber einen hohen Anteil an kondensierbaren Dämpfen, muß der Detektor davor geschützt werden. Dies kann durch eine vorgesetzte Tiefkühlfalle geschehen und der Detektor zum Teilstrombetrieb angeschlossen werden. Der Nachteil dieser Anordnung besteht in der begrenzten Standzeit der Falle. 119 <?page no="132"?> Nun sind die Lecks an diesen Anlagen auch meistens sehr groß. Das vorhandene Leck wird beim Betrieb der Anlage durch Anstieg des Arbeitsdruckes oder Fehler im verarbeitetem Produkt festgestellt, soll dann eine Dichtheitsprüfung durchgeführt werden, wird nach der Druckanstiegsmethode gearbeitet. Da die Lecksuche an allen Dampfturbinen nach dem gleichen Verfahren durchgeführt werden kann, soll dieses als erstes beschrieben und anschließend die Besonderheiten bei chemischen Anlagen aufgeführt werden. Der Vakuumteil einer Dampfturbinenanlage liegt auf der Abdampfseite der Turbine damit die Kondensation einwandfrei abläuft. Wenn sich im Kondensator Luft anreichert, bildet sich vor der Kondensationsfläche ein Gasschleier, der den Zutritt des Dampfes behindert. Die Kondensationsleistung läßt nach und der Totaldruck aus Luft- und Dampfpartialdruck steigt an. Beispiel, Aufgabe In einem Kraftwerk mit Dampfturbine ist der Druck im Dampfkondensator von 28 mbar auf 42 mbar angestiegen. Die eingesetzten Vakuumpumpen können den gefordeten Betriebsdruck nicht halten. Der Druckanstieg muß durch Lufteinbruch über ein Leck erfolgt sein. Zur Lecksuche soll ein Helium-Leckdetektor eingesetzt werden. An der Vakuumanlage eingesetzte Pumpe: Ölüberlagerte Drehschieberpumpe, Saugvermögen Druck an der Pumpe, Arbeitsdruck Druck bei Leck "Sp" = 500 m3/ h "PA" = 30 mbar "PL"·= 50 mbar Aus dem Druckanstieg vor der Vakuumpumpe kann die Luftleckrate ganz grob abgeschätzt werden, wenn das Saugvermögen in diesem Druckbereich bekannt ist. Berechnung des Luftanteils in der Vakuumanlage und damit der wahrscheinlichen Leckrate Saugvermögen der Vakuumpumpe Druck bei Leck - Arbeitsdruck p*V-Durchfluß von Luft Luft unter Normalbedingungen S = 500 m3/ h p = 50 - 30 = 20 mbar qL =20 * 500 = 10000 mbar*m3/ h = 10000 / 1000 = 10 m3(NPT)/ h = 10 * 1,29 = 12,9 kg/ h Luft Leckrate (ungefähr) qL = 12,9 kg/ h * 233 = 3*103 mbar*l/ s Durchführung der Lecksuche Da der Dampfgehalt des Abgases aus der Vakuumanlage über der Dampfverträglichkeit des Detektors liegt und der Einsatz einer Tiefkühlfalle vor dem Detektor, wegen der kurzen Standzeit bei hohem Dampfanfall, unpraktisch ist, mußte eine andere Methode eingesetzt werden. Eine Firma gibt bei Einsatz ihrer Pumpen an, mit einem in das Abgas gehaltenen Schnüffler den Heliumgehalt zu messen. Dies Verfahren hat den Nachteil, daß durch den Öl- und Wasserdampf Schnüffler und Detektor schnell ver- 120 <?page no="133"?> schmutzen. Da die Pumpe auch mit Gasballast betrieben werden muß, wird der Heliumanteil verringert. Dampfstrahl- und Wasserringpumpen haben selten einen gut zugänglichen Abgasstutzen, an dem eine solche Messung durchgeführt werden kann. Deshalb wurde ein anderer Weg versucht, der sich bei ölüberlagerten wie auch bei Dampfstrahl-Pumpen bewährt hat. Vor der Vakuumpumpe der Anlage wird über eine Teilstromleitung mit der Nennweite ON 16 bis 25 eine kleine Vakuumpumpe angeschlossen, die einen Teilstrom entsprechend ihres Saugvermögens abzieht. Das Abgas dieser Pumpe wird über einen Wasserdampfabscheider in die Umgebung ausgestoßen. In diesem Gasgemisch (Luft + Helium mit geringem Wasserdampfanteil) wird mit einem Schnüffler der Heliumgehalt gemessen. Durch den normalen Heliumanteil in der Luft von 5 ppm zeigt der Detektor immer eine Leckrate an, die im Abgas der kleinen Pumpe gleich der in freier Atmosphäre ist. Wird der Heliumanteil in der durch das Leck einströmenden Luft größer, steigt der Anteil im Abgas um den gleichen Betrag und dadurch die Anzeige im Detektor. Damit Schnüffler und Detektor nicht verschmutzen genügt es den Schnüffler nur während des Sprühens ins Abgas zu halten. Es ist wichtig, daß die kleine im Teilstrom eingesetzte Pumpe den hohen Wasserdampfanteil im angesaugtem Gas verträgt und der erreichbare Druck möglichst 1 Zehnerpotenz niedriger als der Druck in der Anlage ist, während das Saugvermögen keine Rolle spielt. Hat sich im Abgasraum der Teilstrompumpe Helium angesammelt kann durch Lufteinlaß auf der Saugseite bei abgesperrter Teilstromleitung das Gas ausgetrieben werden. Die eigentliche Lecksuche Bei der großen räumlichen Ausdehnung einer solchen Anlage mit den vielen Anschlüssen, Ventilen und Baugruppen, von denen ein großer Teil auch noch isoliert und schwer zugänglich ist, kann nicht jede Stelle erreicht und besprüht werden. Um trotzdem schnell und sicher zur Leckstelle zu finden wurde ein einfaches Verfahren erprobt und angewendet. Im Raum, den die Vakuumanlage einnimmt, sind immer Luftstömungen vorhanden. Diese Strömungen können nun ausgenutzt werden um Heliumwolken an die verschiedenen Stellen der Anlage zu transportieren. Zeigt sich nach Abblasen einer solche Wolke eine Anzeige im Detektor, muß der Weg den die Wolke getrieben wurde verfolgt werden. Dazu hat sich ein Raucherzeuger sehr gut bewährt, denn der Rauch wird genau wie das Helium durch die Luftströmung getrieben. Es genügt nun auf diesem Weg der Strömung weiter durch Abblasen von Helium zu suchen, bis im Detektor keine Anzeige mehr erfolgt, dann müssen in dem letzten Bereich die vermuteten Leckstellen einzeln mit Helium beaufschlagt werden. Liegt das Leck unter einer Isolierung, muß, um es genau zu bestimmen und die notwendige Reparatur auszuführen, diese abgenommen werden. Der Heliumverbrauch bei Einsatz dieses Verfahrens ist geringer als beim Absprühen der vielen möglichen Leckstellen, außerdem wird für die Suche weniger Zeit benötigt. Bei dieser Methode sind das Verfolgen der Heliumwolke durch die Rauchwolke und die Beobachtung der Anzeige des Detektors die wichtigsten Aufgaben. 121 <?page no="134"?> Günstig ist es, wenn die Arbeit von zwei Personen, die sich direkt verständigen können {Sprechfunkgeräte), ausgeführt wird. Diese Methode eignet sich zur schnellen Ortung einer Leckstelle bei allen großen Prüfobjekten, bei denen durch Luftströmungen das Helium in den Raum transportiert wird. Dazu zählen Vakuumöfen, große Aufdampfanlagen, Trocknungs- und Entgasungsanlagen sowie Anlagen in der chemischen Industrie. Über diese Chemieanlagen sollen noch einige zu beachtende Punkte erwähnt werden. Dichtheitsprüfungen an Chemieanlagen Das Vorhandensein eines Lecks in einer Produktionsanlage wird meisten durch Fehler im Produkt und durchgeführte Druckanstiegsmessungen der gesamten Anlage oder von einzelnen Abschnitten festgestellt. Da sich meistens Flüssigkeiten in den Anlagen befinden ist eine Lecksuche mit Testgasen während des Betriebes oft aussichtslos. Das Testgas strömt nicht, wie in mit Gas oder Dampf gefüllten Leitungen, zur Vakuumpumpe, sondern bleibt in dem Produkt bis zu einem Leerraum, in dem es sich ansammelt bis der Druck zum Durchbruch zur Pumpe ausreicht. Deshalb können solche Anlagen nur im leeren Zustand mit Testgas geprüft werden. Das gleiche gilt für Anlagen, in denen staubförmige Produkte verarbeitet werden. Eine besonder Schwierigkeit ist das lokalisieren der Leckstelle, wenn diese innerhalb der Anlage in einem Bauteil mit mehreren mit verschiedenen Substanzen gefüllten Kammern (Wärmetauscher) auftritt. Sehr oft auftretende Leckstellen sind die Wellendurchführungen der in der Anlage eingesetzten Förderpumpen, die während der Lecksuche auch bei leerer Anlage laufen müssen Zum Schutz des Helium-Leckdetektors müssen die gleichen Maßnahmen eingesetzt werden wie bei der Lecksuche in Kraftwerken, zusätzlich muß das abgesaugte Gas und der Dampf bekannt sein. Oft fallen auch giftige oder brennbare Gase an, die nicht einfach in die Umgebung gelangen dürfen, wie es bei den Prüfungen mit Schnüffler im Abgas aber auch beim normalen Teilstromverfahren der Fall ist. Die Größe der zulässigen Leckrate ist von dem in der Anlage eingesetzten Produktionsverfahren abhängig. So liegen die zulässigen Leckraten im Bereich von 1 Q-3 bis 1 Q-5 mbar*l/ s. Für Destilationsanlagen, besonders Kurzweg- und Dünnschichtdestilation die im Hochvakuumbereich ablaufen, werden Leckraten kleiner 1 o- 5 mbar*l/ s gefordert. Da die Chemie-Anlagen sehr verschieden sind, kann kein allgemein gültiges Rezept erstellt werden. 5.6 Dichtheitsprüfungen im Hochvakuumbereich Eine Besonderheit sind Dichtheitsprüfungen bei denen denen der Druck im Prüfobjekt kleiner 10-e mbar sein muß. Diese Bedingung wird aber nur für Bauteile gestellt, die im UHV-Bereich oder in sehr sauberen Anlagen eingesetzt werden. Solche Anlagen werden im Bereich der Forschung, zur Herstellung von Bauteilen der Elektronik, in der Reaktortechnik und ähnlichen Verfahren eingesetzt. Während diese Prüfungen heute nur noch selten verlangt werden, mußten beim Bau der Kernkraftwerke sehr oft Dichtheitsprüfen im Hochvakuumbereich durch- 122 <?page no="135"?> geführt werden. Dabei hatten die Objekte oft ein Volumen von über 10 m3. An Geräten standen nur Diffusionspumpen mit vorgesetzter Kühlfalle und Helium- Leckdetektoren nach dem Hauptstromprinzip zur Verfügung. Geprüft wurde nach dem Teilstromverfahren, bei dem der Detektor vor der Vorpumpe angeschlossen wurde. Einige Hersteller solcher Bauteile hatten ihre eigenen Prüfvorschriften herausgegeben, die aber aus vakuumtechnischen Gründen nicht eingesetzt werden konnten, so sollte z.B. ein Detektor mit einem Saugvermögen von max.1 O I/ s einen Wärmetausch er von 10 m3 auf einem Druck kleiner 1 Q-6 mbar halten. Nach diesem kurzen Rückblick nun zu den heute eingesetzten Pumpen und Detektoren. Zum Evakuieren der Prüfobjekte werden große Turbomolekularpumpen oder Kryopumpen eingesetzt, damit die Bauteile nicht durch Dämpfe der Treibmittel verunreinigt werden. Bei Pumpsätzen mit Turbomolekularpumpen, die eine Vorpumpe benötigen, kann nach dem Teilstromverfahren geprüft werden, der Detektor wird vor der Vorpumpe angeschlossen. Sind Kryo- oder andere Gasbindende-Pumpen im Einsatz muß der Detektor bei einem Einlaßdruck kleiner des Drucks im Prüfobjekt arbeiten oder es muß eine Transportpumpe vorgesetzt werden, die den notwendigen niedrigen Druck erzeugt, damit das durch ein Leck einströmende Gas angesaugt wird. Wird nach dieser Methode geprüft müssen die zur Evakuierung eingesetzten Pumpen abgesperrt werden, da sie sonst einen Teil des Testgases abpumpen. Nun bieten einige Hersteller das in den Detektoren eingesetzte Massenspektrometer mit der dazugehörigen Elektronik als An- oder Einbaueinheit an. Sind sehr oft Dichtheitsprüfungen bei diesen niedrigen Drücken durchzuführen, kann mit Hilfe dieser Einheit und geeigneter Vakuumpumpen ein spezieller Detektor zusammengestellt werden. Um mit einem solchen Detektor die Leckraten zu messen, muß das Gerät mit Hilfe sehr guter kalibrierter Testlecks justiert werden. Da eine solche Prüfung normalerweise nach dem Teilstromverfahren durchgeführt wird, bei dem als Hilfspumpsatz ein Hochvakuum-Pumpstand eingesetzt ist, gelten die unter Beispiel 5.2, 5.3 und 5.4 beschriebenen Punkte und Arbeiten auch für eine Prüfung im Hochvakuumbereich. 123 <?page no="136"?> 6. Überdruckverfahren Die Überdruckverfahren wurden in Abschnitten 4.2, 4.3.2 und 4.3.3 behandelt. Obwohl dies Verfahren nur für 2 Methoden einsetzbar ist, und für die Berechnungen immer die gleichen Formeln gelten, sollen einige Beispiele beschrieben werde. Der Vorteil der Überdruckverfahren liegt in dem geringerem Aufwand an Geräten und der Möglichkeit durch Steigerung des Druckes im Prüfobjekt die Leckrate zu erhöhen und damit die Lecksuche zu erleichtern oder beim lntegraltest die Standzeit zu verringern. Die Leckrate "qL2" bei erhöhtem Druck wird nach Formel 1 berechnet. Auf Bild 39 ist die danach erstellte Kurve aufgetragen. Nun hat dieses Verfahren auch einige Nachteile. Durch den Heliumgehalt von 5 ppm der atmosphärischen Luft wird die Empfindlichkeit des normalen Detektors herabgesetzt, es gibt aber schon Detektoren, die für Prüfungen nach dem Überdruckverfahren entwickelt wurden, deren Empfindlichkeit 0,2 ppm (10-1 mbar*l/ s He) beträgt. Der lntegraltest benötigt bei kleinen Leckraten oder großem Hüllvolumen lange Standzeiten. Der Unterschied zwischen den zur Prüfung benötigten Prüfzeiten eines mit Überdruck gefüllten Behälters wurde in Beispiel 5.1 berechnet. Um bei der Lecksuche die Leckstelle zu orten, muß die Schnüfflerspitze möglichst ins Zentrum der Testgaswolke treffen (Bilder 4.17 und 4.18). 6.1 Aufgabe erüfvorschrift zum lntegraltest eines mit Uberdruck gefüllten Behälters Handfeuerlöscher sollen zur Verlängerung der Standzeit und damit zur Verbesserung der Qualität auf Dichtheit geprüft werden. Die jetzige Prüfung wird nach der Differenzdruck-Methode über den Druckabfall ermittelt. Um einen Druckabfall von kleiner 500 mbar/ Jahr zu garantieren ist aber eine Prüfzeit von ca. 2 Stunden je Exemplar notwendig. Als Meßgeräte sind Differenzdruck-Meßautomaten im Einsatz. Zur Dichtheitsprüfung notwendige Daten der Feuerlöscher: Volumen 7,5 I; Fülldruck 8 bar Überdruck; Gas C0 2 • 124 <?page no="137"?> Berechnung der Leckrate bei V= 7,5 1, Druckabfall p = 500 mbar/ a qL = (V * p)/ t; qL = (7,5 * 500)/ 3.154*107 = 1,2*10-4 mbar*l/ s Die zulässige Leckrate soll mindestens um den Faktor 2 gesenkt werden. Um diese Leckrate in annehmbarer Zeit zu messen muß ein lntegraltest mit einer Testgasmethode eingesetzt werden. Die Prüfung soll mit einem Helium-Leckdetektor durchgeführt werden, dazu sollen dem Füllgas 10 % Helium beigegeben werden. Gewählte zu messende Leckrate: qL = 5*10-5 mbar *I/ s Heliumrate bei 10 % He: qLHe = 5*1 o-e mbar*l/ s Als Detektor wird ein Schnüffel-Gerät mit folgenden technischen Werten vorgesehen: Meßbereich = 0,01 bis 5*104 ppm Helium im Gasgemisch Kleinste nachweisbare Leckrate qHe = 4*10·7 mbar*l/ s Kleinste meßbare Änderung des He-Anteils = 0,2 ppm Gasdurchsatz= 120 cm 3 (NPT)/ min Vorbereitungen zur Prüfung Zur Aufnahme des Prüfobjektes wird ein gasdichter Behälter benötigt, an dem oben und unten je ein Durchgangsventil zum Einführen des Schnüfflers angebracht ist. Am Deckel des Behälters muß ein Ventilator eingebaut sein, damit das durch ein Leck austretende Gasgemisch gleichmäßig mit der im Behälter befindlichen Luft vermischt wird. Die Größe des Aufnahmebehälters wird durch die Maße des Prüfobjektes bestimmt. Das freie Volumen sollte 10 1betragen Die Prüfobjekte müssen trocken und sauber sein. Die Schweißnähte sollen nicht beschichtet oder lackiert sein, die eingesetzten Dichtungen müssen heliumdicht sein, falls dies nicht möglich ist, muss diese Stelle in eine besondere gasdichte Haube eingepackt und nach Abschluß des lntegraltests geprüft werden. Der Detektor wird durch ein Testleck überprüft und wenn notwendig auf die höchste Empfindlichkeit justiert. Diese Arbeit wird nach der vom Hersteller erstellten Gebrauchsanweisung durchgeführt, Sollten dazu keine Angaben vorhanden sein kann die Einstellung nach _dem Heliumgehalt von 5 ppm (5*1 Q-3 mbar Partialdruck) der atmosphärischen Luft, besser mit einer hergestellten Mischung aus Stickstoff mit ca. 2 ppm Heliumanteil vorgenommen werden. Berechnungen zur Prüfung. Bevor die eigentliche Prüfung beginnt müssen die Grenzwerte des noch sicher meßbaren Heliumdruckes und der dazu notwendigen Standzeit ermittelt werden. Nach den Angaben des Herstellers beträgt die kleinste erfassbare Änderung des Heliumanteils im Gasgemisch 0,2 ppm (2*10-4 mbar). Um eine sichere Anzeige zu erhalten, wird ein Anstieg des Heliumgehaltes von 0,5 ppm (10 % des Gehaltes in des Luft) festgelegt. Damit wird die notwendige Standzeit nach Formel 33 berechnet. 125 <?page no="138"?> 1 Prüfobjekt 2 Meßbehälter 3 Deckel 4 Ventilator 5 Dichtung 6 Durchgangsventile 7 Helium- Detektor 8 Anzeige He-Druck 9 Schnüffler Bild 6.1: Prüfeinrichtung zum lntegraltest eines mit Überdruck gefüllten Behälters Berechnung der notwendigen Standzeit bei: Freies Volumen der Hülle (Haube) V = 10 1 Änderung des Heliumgehaltes in der Hülle c = 0,5 ppm Anstieg des Heliumdruckes in der Hülle PHe = 5*10-4 mbar Standzeit tmin = (PHe * V) / qLHe in Sekunden (Formel 33) tmin = (5*10-4 * 10) / 5*1 o-a = 1000 Sekunden = 17 Minuten. Zur Prüfung wird die Standzeit auf 20 Minuten festgelegt. Bild 6.1 zeigt den Aufbau der Prüfeinrichtung. In der Beschreibung des Ablaufs der Prüfung wird auf dies Bild verwiesen. Ablauf der Prüfung. Nachdem der Detektor 7 bereit ist, die Justierung, z.B. mit atmosphärischer Luft (5 ppm Helium) auf 25 Skalenteile, eingestellt wurde, wird das vorbereitete Prüfobjekt 1 in den Meßbehälter 2 gesetzt. Nach Schließen des Deckels 3 wird der Ventilator 4 eingeschalten und die beiden Ventile 6 zum Einführen des Schnüfflers 9 geöffnet. Die Anzeige 8 des Detektors muß in der Umgebungsluft wie im Meßbehälter auf dem gleichen Wert stehen. Nun werden die Ventile 6 geschlossen, die Meßzeit beginnt. Am Detektor 7 wird mit Hilfe der Nullpunkt-Unterdrückung die Anzeige auf 0 gestellt. Nach Ablauf der berechneten Standzeit von 20 Minuten muß vor der Messung die Anzeige 8 des Detektors auf 0 stehen oder nachgestellt werden. Durch die Ventile 6 wird nacheinander der Heliumgehalt im Meßbehälter 2 gemessen, dabei soll die Anzeige an beiden Meßstellen 126 <?page no="139"?> gleich sein. Ist dies trotz laufendem Ventilator 4 nicht der Fall muß zur Berechnung der Leckrate der höhere Wert eingesetzt werden. Berechnung der Leckrate nach Gleichung 40 oder 41: Ergibt die Messung z. B. einen Anstieg um 0,3 ppm = 3*1 o- 4 mbar so beträgt die Leckrate nach Gleichung 40, qL = (PHe * V) * (100 / xo/ o) / t in mbar *I/ s darin ist qL = Leckrate; V = freies Volumen des Meßbehälters = 10 Liter; xo/ o = Heliumanteil im Füllgas = 10 Prozent t = Meßzeit = 20 * 60 = 1200 Sekunden qL = (3*10-4 * 10) * (100 / 10) / 1200 = 2,5*1 o-s mbar*l/ s Soll mit dem Anstieg der Heliumkonzentration gerechnet werden wird Formel 41 eingesetzt, qL = (CHe * 1 o-s * Pamb * V) * (100 / xo/ o) / t mbar*l/ s darin ist zusätzlich cHe = Anstieg der Heliumkonzentration = 0,3 ppm 1 o-s * Pamb = Umrechnungsfaktor auf den Druckanstieg bei dem Druck des Gasgemisches Pamb (meistens Atmosphäre) qL = (0,3 * 10-6 * 1000 * 10) * (100 / 10) / 1200 = 2,5*10-5 Damit kann die Prüfung beendet werden. Die ermittelte Leckrate von 2,5*1 o-s mbar*l/ s beträgt die Hälfte der zugelassenen 5 * 1 o-s mbar*l/ s trotzdem soll, wenn der Helium-Detektor beim Schnüffelbetrieb empfindlich genug ist das Leck gesucht und beseitigt werden, da die Meßgenauigkeit in der Vakuum-Technik um den Faktor 2 schwanken kann. Nach dieser Arbeit kann die Prüfung abgeschlossen und das Protokoll erstellt werden. 127 <?page no="140"?> 6.2 Dichtheitsprüfung eines Sicherheitswärmetauschers Ein neuer Sicherheitswärmetauscher, bei dem auf keinen Fall das Wärmemittel (Dampf) mit dem Produkt in Berührung kommen darf, soll durch einen lntegraltest mit einem Heliumleckdetektor auf Dichtheit geprüft werden. Die max. zugelassenen Leckraten betragen für den Dampfraum: für den Produktraum Die zugelassenen Drücke betragen für den Dampfraum: Rohrraum: Technische Daten des Wärmetauschers. Durchmesser des Mantels: Länge des Mantels (Dampfraum): Länge der Rohre (Produktraum): Sicherheitsabstand (Luftraum): Durchmesser Rohrböden: Volumen des Mantelraumes: qL = 1 *1 o-3 mbar*l/ s qL = 1*10-1 mbar*l/ s PM= 16 bar PR= 13 bar Volumen des Rohr- + Haubenraumes: dM = 80 cm IM= 160 cm IR= 250cm 1 5 = 29 cm d 8 = 95 cm VM=0,6m3 VR = 3,5 m3 Vs= 170 Lit. Volumen des Sicherheitsabstandes Da der Wärmetauscher zwei verschiedene Volumen hat, für die auch unterschiedliche Leckraten gefordert werden, muss die Prüfung in zwei Arbeitgängen durchgeführt werden. Geprüft werden die 4 Rohrböden, am Mantel auf kleiner 1*10-4 und an den Rohren auf kleiner 1 *1 o- 7 mbar*l/ s. Als Meßvolumen (Hülle) steht das Volumen des Sicherheitsabstandes zur Verfügung. Da zur Druckdifferenz für die Leckraten keine Angaben vorliegen, kann mit 1 bar Überdruck gerechnet werden. Damit der Anstieg des Heliumdruckes im Meßvolumen gut abzulesen ist, muß er 50% des Luftheliums betragen, also 2,5 ppm (2,5*10-3 mbar). Das Auffangvolumen beträgt 2 * 170 = 340 Liter. Bild 6.2 zeigt den Sicherheitswärmetauscher Berechnung der notwendigen Standzeiten bei 100 % Helium als Testgas, nach Formel 33, tmin = (PHe * VHaub,'qzul Sekunden für qL = 1*10- 4 mbar*l/ s: tmin = (2,5*10-3 * 340)/ 1*10-4 = 8500 Sekunden = 2,361 Stunden für qL = 1*10-7 mbar*l/ s: tmin = (2,5*1 o- 3 * 340)/ 1 *1 o- 7 = 8500000 Sek.= 2361 Stunden Während die Überdruckmethode für die Prüfung der Rohrböden des Dampfraumes eingesetzt werden kann, müsste um eine annehmbare Standzeit 128 <?page no="141"?> 1 Prüfobjekt 2 Mantelrau ■ 3 Hauben mit Rohrrau■ 4 Zwischenräu■e Sicherheitsabstand 5 Produkt ein 6 Produkt aus 7 Dampf ein 8 Dampf aus 9 Oberer Rohrboden Mantelraum 10 Unterer Rohrboden Mantelraum 11 Oberer Rohrboden Rohrraum 12 Unterer Rohrboden Rohrrau■ 13 Rohre eingewalzt 14 Rohre eingeschweißt 13 c'.~t===-=--=--: : _,e: ; -r-, 0. ~====~==-: : ; : l--,1 ~ 4 3 Bild 6.2: Schemazeichnung eines Sicherheits-Wärmetauschers (max. 1 Tag = 24 Stunden) für den Produktraum zu erreichen die Leckrate auf 1 *1 Q-5 mbar*l/ s durch Erhöhung des Überdruckes gebracht werden. Dies erfordert eine Steigerung von 1 bar auf 99 bar bei molekularer und auf 17,3 bar Überdruck bei laminarer Strömung (berechnet nach Formeln 2 und 1). Die Rohrböden der Produktseite können nur nach einem Vakuumverfahren geprüft werden. Dazu wird der Rohrraum evakuiert und beide Auffangvolumen (Sicherheitsabstand) mit Helium gefüllt. Da die Räume nicht evakuiert werden können (Einhüllen mit Folie) ist eine genaue Angabe des Heliumgehaltes nicht möglich, zur Sicherheit soll mit 50 % He gerechnet werden. Da zur Prüfung des Produktraumes das Vakuum-Teilstromverfahren zur lntegraltestmethode eingesetzt werden muß, kann auch der Mantelraum nach dem gleichen Verfahren geprüft werden. In beiden Fällen wird der mit Folie umwickelte Sicherheitsraum mit Helium gefüllt und die Räume des Prüfobjektes werden nacheinander evakuiert. Die Bestimmung der zum Vakuum-Teilstromverfahren notwendigen Geräte, des geeigneten Helium-Leckdetektors und die Durchführung der Prüfung sind im Beispiel 5.3 Dichtheitsprüfung eines Wärmetauschers (Hüllentest) aufgeführt. 129 <?page no="142"?> 6.3 lntegr.ale Dichtheitsprüfung eines Kondensators nach dem Uberdruckverfahren Ein neuer Kondensator soll nach der Fertigstellung auf Dichtheit geprüft werden. Die Prüfung soll nach dem Überdruckverfahren als lntegraltest an den Rohrböden und als Lecksuche mit dem Schnüffler an den Schweißnähten durchgeführt werden. Forderungen: Leckrate Fülldruck des Mantelraumes: Heliumanteil: Standzeit, mindestens: Technische Daten des Kondensators: Volumen des Mantelraumes: Volumen des Rohrraumes: Technische Daten des Eingesetzten Detektors: Empfindlichkeit: Schnüffler, Schnell, Empfind. Ansaugmenge: Justierung mit Luft-Helium: Durchführung der Prüfung: qL kleiner 4*10-4 mbar*l/ s 6 Bar Überdruck 50 Prozent 1 Stunde 435 Liter 200 Liter 2*10-10 mbar*l/ s Helium 5*10-5 mbar*l/ s Helium 2 cm3(NPT)/ s 15 Skalenteile bei 5 ppm =3,3*10-4 mbar/ Skt. Nach Verschließen der Anschlußflansche des Mantelraumes, wurde an einem Anschluß eine zweistufige Vakuumpumpe mit vorgeschalteten Ventilen und dazwischen eingesetzten Vakuummeter angeschlossen. An einem zweiten Anschluß war das zur Überdruckmessung notwendige Manometer angesetzt. Als Zusatzforderung sollte durch Druckanstiegsmessung die Sauberkeit des Kondensators geprüft werden. Deshalb wurde der Mantelraum auf einen Druck kleiner 0,1 mbar evakuiert, dann das Ventil vor der Vakuumpumpe geschlossen und der Druckanstieg beobachtet. Nach mehreren Versuchen blieb der Druck bei 0,5 mbar stehen, damit war die Bedingung nach Trockenheit und Sauberkeit erfüllt. Das Ventil der Vakuumleitung am Kondensator wurde geschlossen, die Leitung abgebaut und dafür eine Heliumflasche angeschlossen. Da der Druck im Mantelraum zur Prüfung 7 bar (6 bar Überdruck) bei 50 % Helium betragen sollte. wurde Helium bis zum Überdruck von 2,5 bar und dann Stickstoff bis zu geforderten Überdruck von 6 bar eingeblasen. Inzwischen waren die beiden Rohrböden mit Folie gasdicht abgedeckt worden, der Leckdetektor war justiert und meßbereit. 130 <?page no="143"?> Ergebnis der Messungen. Die Schnüfflerspitze wurde auf beiden Seiten in die Folien eingestochen. Die Anzeigen des Heliumgehaltes der angesaugten Luft ergab die gleichen Werte wie im Freien 15 Skt., damit begann die Standzeit. Zur Sicherheit wurde die min. notwendige Standzeit zur Erfassung der Leckrate von kleiner 4*10-4 mbar*l/ s in 1 Stunde nach Formel 33 berechnet. Zul. Leckrate: 4*1 Q-4 mbar*l/ s benötigter He-Anstieg: 2,5*1 o-3 mbar Heliumanteil: 50 % Meßvolumen: 200 Liter tmin = (200*2,5*1 o-3) / 4*10-4 * (100/ 50) = 2500 Sekunden t = 2500 s = 41,7 min Weiter wurde während der Standzeit die Lecksuche an den Schweißnähten des Mantels und der Anschlußstutzen durchgeführt. Dafür war die Schnüfflerspitze mit einer Glocke, wie auf Bild 4.18/ 2 gezeigt, versehen. Es wurde keine Leckstelle gefunden. Nach 2 Stunden Standzeit ergab die Messung einen Anstieg der Heliumkonzentration im Rohrraum um 4 Skt., damit der Heliumdruck um "PHe" = 4 * 3,3*1 o- 4 = 1,3*1 o-3 mbar in 7.2*103 Sekunden danach betrug die Leckrate nach Gleichung 39, qL = (200*1,3*10-3)/ 7,2*103 * (100/ 50) = 7,2*1 o-s mbar*l/ s Ergebniss der Prüfung: Die Messungen und Berechnungen ergaben, daß das Prüfobjekt der Kondensator die gestellten Bedingungen erfüllt. Die Leckrate der Rohrböden ist kleiner 4*1 o- 4 mbar*l/ s An den Schweißnähten kein Leck größer 5*10-5 mbar*l/ s Der Produktraum (Mantelraum ist trocken und sauber). Die Prüfung wurde damit beendet. 6.4 Lecksuche am Doppelboden eines Lagertanks Zum Schutz des Grundwassers unter Lagertanks vor umweltverschmutzenden Flüssigkeiten, müssen diese Tanks, mit doppeltem Boden versehen werden. Der Zwischenraum wird auf ca. 600 mbar abs. (400 mbar Unterdruck) evakuiert, eine kleine Pumpe hält den Druck konstant falls er durch ein Leck langsam ansteigt. Zwischen den Böden liegen auf Flüssigkeiten ansprechende Sensoren, durch die bei Ansprechen Alarm ausgelöst wird. 131 <?page no="144"?> Die Prüfungen der Schweißnähte mit schaumbildenden Mitteln unter einer Vakuumglocke sind bei der Länge der Prüfstrecke von oft über 1000 m zu zeitaufwendig und auch nicht sicher genug. Vergleiche mit der Prüfung mit Helium zeigten, daß bei großen Lecks der Schaum weggeblasen wurde und kleine Lecks keinen sichtbaren Schaum bildeten. Da in den Tanks Flüssigkeiten gelagert werden, muß die Leckrate eines Einzellecks kleiner 1*10-4 mbar*l/ s sein. Um bei der Lecksuche mit Schnüffler diese Lecks zu finden, sollte der Detektor mit Schnüffler Leckraten von 10- 5 mbar*l/ s noch erfassen. Eine weitere Bedingung für den Detektor ist die schnelle Ansprechzeit, um möglichst beim Überfahren der Leckstelle das Signal zu erhalten. Gut ist es auch, wenn mit dem Signal der Anzeige auch ein akustisches erfolgt. Durchführung einer Prüfung Technische Daten, des Tanks Durchmesser: des Detektors des Schnüfflers Volumen: Empfindlichkeit: Saugvermögen: 48m 26 492 m3 2*10-10 mbar*l/ s 2 cm 3 / s Anzeige bei 5 ppm He: 10 Skalenteile 0,5 ppm He/ Skt Empfindlichkeit: Ansprechzeit: Ablauf der Lecksuche 1 *1 o-s (mbar*l/ s)/ Skt 1 Sekunde An dem Anschluß für die Überwachungseinrichtung wurde eine Vakuumpumpe angeschlossen und der Raum zwischen den Böden auf einen Druck kleiner 50 mbar evakuiert. Da nach einer Stunde kein Druckanstieg erfolgt war wurden bis zum Druck von 1000 mbar 31 m3 Helium eingelassen. Um in dem Raum einen Überdruck von 35 mm Wassersäule zu erzeugen waren weitere 14 m3 Helium notwendig. Gemessen wurde dieser Druck, an dem am weitesten vom Sauganschluß entfernten Prüfanschluß, mit einem mit Wasser gefülltem U-Rohr. Bei diesem geringem Überdruck wölbte sich der Boden leicht nach oben weil der Druck von 35 mm WS = 3,5 mbar = 3,5 g/ cm2 = 35 kg/ m2 dem Gewicht einer Stahlplatte von 1 m2 mit 5 mm Stärke entspricht. Deshalb darf kein höherer Überdruck erzeugt werden. Nach 14 Stunden Standzeit hatte sich der Druck von 35 mm WS nicht verändert. Die Lecksuche wurde durchgeführt, der Schnüffler war mit einer Glocke versehen, die Suchgeschwindigkeit betrug 1,5 m/ min. und der Abstand des Schnüfflers von der Schweißnaht 2 mm. Ergebniss der Suche 132 10 Lecks am Boden größer 1 Leck an der Prüfleitung 3 Lecks an Boden/ Wand 3000 Skt = 3*1 o-3 mbar*l/ s 3000 Skt 100 Skt = 1*10-4 mbar*l/ s <?page no="145"?> Die Lecks wurden nach Ablassen des Überdrucks nachgeschweißt, und nach erneutem Einblasen von Helium auf 35mm WS geprüft. Alle Leckstellen waren dicht. Nach 44 Stunden Standzeit wurde keine Veränderung des Druckes von 35 mm WS festgestellt. Damit wurde die Prüfung des Tanks beendet und das Prüfprotokoll erstellt. ======================== 133 <?page no="146"?> V. Anhang 1. Zusammenstellung der benutzten Formeln Leckratenänderung durch Veränderungdes Differentdruckes bei: laminarer Strömung, Leckrate größer 1 Q-7 mbar*l/ s. ql2 = qu *(P1 2 - Pl)2 / (P1 2 - Pi), mbar*l/ s (1) molekularer Strömung, Leckrate kleiner 1 o- 7 mbar*l/ s ql2 = qL 1* (P1 - P2)2 / (P1 - P2) 1 mbar*l/ s (2) der Gasart bei: laminarer Strömung, Leckrate größer 1 o- 7 mbar*l/ s qLHe = qLG * (Z~ZH 8 ) mbar*l/ s (3) molekulare Strömung, Leckrate kleiner 10-1 mbar*l/ s qLF = qLG * (MG/ MHe) mbar*l/ s (4) von Flüssigkeiten auf Gase qLHe = qLF * (ZF/ ZHe) * (P1 +P2)/ 2 cm 3/ s (5) In dieser Formeln wird anstelle der Dimension "mbar*l/ s" die Maßeinheit "cm3/ s" eingesetzt. (Umrechnung nach Tabelle 2.1 ). Leckrate bei Druckabfall qL = (p 2 p1) * V/ t mbar*l/ s (6) Leckraten im Detektor Ermittlung; Anzeige beim Hauptstromprinzip qL = PHe * SHe mbar*l/ s (7) Empfindlichkeit (Kleinste erfassbare Leckrate) qLmin = PHe * SHe mbar*l/ s (8) Heliumdruck im Massenspektrometer beim Gegenstromprinzip PHe = PvHJK mbar (9) Angezeigte Leckrate beim Gegenstromprinzip qL = Svp * PvHJK mbar*l/ s (10) 134 <?page no="147"?> Formeln aus der Vakuumtechnik Auspumpzeit eines Volumens im Feinvakuumbereich t = V/ S 8 11 * In Pof P1 Endvakuum in einem Behälter bei Gasanfall PE = qcfSe11 Angenäherte Auspumpzeit im Hochvakuumbereich t = V/ S * C/ p Sekunden Formeln bei Vakuumverfahren Totzeit bis Anzeige im Detektor (11) (12) (13) tr = V/ S * In qL/ (qL qLE) Sekunden (14) max. Heliumpartialdruck im Prüfling PHe = qL / SHe mbar (15) Anstiegsverlauf des Heliumpartialdruckes PHe = qLHefSHe * (1 e-S*W) mbar (16') Anstiegsverlauf der Leckratenanzeige qLA = qL * (1 e-S*W) mbar*l/ s (17) Zeit bis 63% der max. Anzeige ta3 = V/ SHe Sekunden (18') Zeit bis 95% der max. Anzeige tg5 = 3 * V/ SHe Sekunden (19) Anzeige in Abhängigkeit des prozentualen Heliumanteils im Testgas bei 100% qL = qLA mbar*l/ s (20) bei x Prozent qL = qLA * 100/ x mbar*l/ s (20) Besonderheiten beim Teilstromverfahren Der Korrekturfaktor "K" k = qL/ qLA damit ist: qL = qLA * k mbar*l/ s (21) (22) 135 <?page no="148"?> Das gleiche Verhältnis besteht auch zwischen dem p*V-Durchfluß von Hauptdurch Teilstrom: k = (qHS + qrs/ qTS = qLfqLA (23) Die Empfindlichkeit "E" bei Teilstrom. Ers = EHs * k mbar*l/ s (24) Formeln bei Überdruckmethoden Änderung der Druckdifferenz qL2 = qL 1 * (p 2 - 1)2' (p2 - 1)1 mbar*l/ s darin ist qL2 = zu berechnende Leckrate; qL 1 = bekannte Leckrate (p2 - 1 b = Druckverhältnis bei qL2; (p2-1) 1 = Druckverhältnis bei qu, Empfindlichkeit aus Heliumdruck in der Luft E 0 = 5*1 Q-3/ A 0 mbar/ Skt; oder Ec = 5/ Ao ppm/ Skt. Druckanstieg "PHe" bei der Messung: PHe = (AM - Ao) * E 0 mbar oder cHe = (AM - Ao) * Ec ppm Empfindlichkeit aus Helium in der Luft E 0 = (5*1 Q-3)/ (2*1 Q-8) mbar/ mbar*l/ s oder Ec = 5/ (2*1 Q·B) ppm/ mbar*l/ s Leckrate aus Anzeige bei x% Helium im Testgas qL = qLA * 100/ x % mbar*l/ s Korrekturfaktor bei Heliumuntergrund k = qLT / (qLA2 qLA1) Benötigte Standzeit bei Überdruck-lntegraltest Bei Druckanstieg tmin = (PHe*VHaub)/ qLzul Sekunden. Bei Anstieg der Konzentration tmin = (CHe *10· 6*Pamb *VHaub)/ qLzul Sekunden 136 (1) (25) (26) (27) (28) (29) (3(]J (31) (32) (33) (34) <?page no="149"?> Berechnung der Leckrate Wirkliche Standzeit tw = t1 t 0 Sekunden (35) Konzentrationsänderung cHe = (A1 -Ao)*Ec ppm (36) Daraus die Leckrate bei Umgebungsdruck "Pamb" (Atmosphäre) mbar: qL = (CHe * 1Q-B* Pamb * VHaub) / tw mbar*l/ s (37) Änderung des Druckes PHe = (A1 -.Ao)*Eo mbar (38) Daraus die Leckrate in mbar*l/ s: qL = (PHe * VHaub) / tw mbar*l/ s (39) Leckrate bei Hüllentest Druckänderung des Testgases qL = (VHOI * PHe) / tw mbar*l/ s bei (PrPA) (40) Konzentrarionsänderu ng qL = (VH01 * CHe * 10-s * Pamb) / tw mbar*l/ s (41) darin sind: VHOI Liter tw Sekunden Freies Volumen der Hülle Wirkliche Standzeit Heliumanstieg in der Hülle PHe mbar oder CHe ppm Differenzdruck pI - PA bar oder mbar Die benötigten Werte werden nach den gleichen Formel wie bei der Prüfung mit Haube berechnet Bestimmung des Korrekturfaktors "F "eines Schnüfflers mit Hilfe einesTestlecks: Beispiel: Testleck: 5,0*10-4 mbar*l/ s (42) Anzeige : 2,5*1 o-s mbar*l/ s Faktor : "F" = 5,0/ 2,5 * 102 = 200 Ungefähre Leckrate : Anzeige * "F" mbar*l/ s ================== Diffusion von Helium in Luft t 0 = 4*10-B * 12 * (1/ d + 100*p) in Sekunden Darin ist t 0 Diffusionszeit Sekunden 1 Entfernung cm d Rohrdurchmesser cm p Luftdruck im Rohr mbar (43) 137 <?page no="150"?> Für Atmosphärendruck im Rohr gilt t 0 = 0,4 * 1 2 Sekunden (44) =================== Formel aus der Vakuumtechnik, Berechnung des effektiven Saugvermögens "S 8 «" für Luft am Ende einer Rohrleitung mit ausreichender Genauigkeit für die Praxis bei Dichtheitsprüfungen. S 8 « = (Sp*L)/ (Sp+L) in Liter pro Sekunde darin ist Sp = Saugvermögen der Vakuumpumpe in I/ s. L = Leitwert in I/ s Der Leitwert "L" wird berechnet bei laminarer Strömung (p * d größer 0.6 mbar * cm) L = 135 * d4/ I * (p 1 +p 2 )/ 2 in Liter pro Sekunde molekularer Strömung (p * d kleiner 0,01 mbar * cm und I größer 10 d) L = 12,1 * d3/ I Liter pro Sekunde Knudsen-Strömung (p * d kleiner 0,6 größer 0,01 mbar * cm) L = 135* d4/ I* Pm + 12,1 * d3 / I * (1 + 189*Pm*d)/ (1 +235*Pm*d) In allen Formeln für "L'' gilt: 138 d = Rohrdurchmesser in cm 1= Leitungslänge in cm p = Druck in mbar Pm = (p 1 + p 2 )/ 2 in mbar p 1 = Druck am Anfang p 2 = Druck am Ende der Vakuumleitung <?page no="151"?> 2. Literaturverzeichnis Dlchtheltsprüfungen/ Lecksuche R. F. Moody: Vielseitiger HF-Lecksucher. Vakuum-Technik, 6. Jhrg./ H. 4 G. Kienel: Lecksuche an Hochvakuum- und Ultrahochvakuum-Anlagen. Vakuum-Technik, 13. Jhrg./ H. 2, 1964 Linde: Ursachen von Undichtigkeiten, Strömungen von Stickstoff durch kreisrunde Poren. Berichte aus Technik und Wissenschaft, 19/ 1965 W. Becker: Erhöhung der Empfindlichkeit des Heliumlecksuchers durch Verwendung einer Turbo-Molekularpumpe besonderer Konstruktion. Vakuum-Technik, 17. Jhrg./ H. 8, 1968 K.-O. Cavalar: Einfluß der Kaltwasserdruckprüfung auf die Lecksuche mit Testgasen. Vakuum-Technik, 29. Jhrg./ H. 7, 1980 C. Falland: Ein neuer einfacher Universal-Lecksucher mit luftgekühlter Turbopumpe. Vakuum-Technik, 29. Jhrg./ H. 7 1980 W. Jansen: Grundlagen der Dichtheitsprüfung mit Hilfe von Testgasen. Vakuum-Technik, 29. Jhrg./ H. 4, 1980 C. J. Kündig: Neue Wege beim Bau und der Anwendung von Helium-Lecksuchern. Technisches Messen, 54. Jhrg./ H. 7, 1987 C. Falland: Die Helium-Lecksuchtechnik bei Desy. Desy Hera P 91/ 1 1991 Dechema: Dichtheitsprüfungen an Apparaten und Komponenten von Chemieanlagen. Dechema-lnformationsblatt Nr. ZfP 1 Hersteller: Sonderdrucke, Prospekte, Betriebs- und Gebrauchsanweisungen zur Bedienung und Anwendung der Helium-Leckdetektoren Vakuumtechnik A. Goetz: Physik und Technik des Hochvakuums. Verlag von Friedr. Vieweg & Sohn AG, Braunschweig 1926 R. Jaeckel: Kleinste Drücke, ihre Messung und Erzeugung. Springer Verlag / Berlin, Göttingen, Heidelberg, J. F. Bergmann/ München 1950 R. Thees: Vakuumpumpen und ihr Einsatz zum Ansaugen von Dämpfen. Vakuumtechnik, 6 (1957), 160-170 K. Diels und R. Jaeckel: Leybold Vakuum-Taschenbuch. Springer Verlag, Berlin/ Göttingen / Heidelberg 1958 S. Buch: Einführung in die allgemeine Vakuumtechnik. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart 1962 M. Wutz: Theorie und Praxis der Vakuumtechnik. Verlag Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1965 M. Wutz, H. Adam, W. Walcher: Theorie und Praxis der Vakuumtechnik. 2. Auflage, Verlag Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig / Wiesbaden 1982 139 <?page no="152"?> J. H. Kerspe u. a.: Vakuumtechnik in der industriellen Praxis. expert - Verlag, Sindelfingen 1987 Verschiedenes B. Carlowitz: Kunststofftabellen. Verlag Fritz Schiffmann oHG, Bensberg 1963 Tabellen: Eigenschaften von Gasen. 140 <?page no="153"?> 3. Sachregister Ablenksystem 16 Abstand 91 Anlagen, chemische 119 Ansprechzeit 57 Argon 31 Armaturen 29 Auffänger 15 Ausgleichsdruck 63 Ausgleichszeit 57 Auspumpzeit 56 Ausschalten 49 Balkenanzeige 73 Bedienungseinrichtungen 29 Behandlung 47 Beispiele 1 oo Beschleunigungseinrichtung 15 Betrieb 48 Betriebstemperatur 49 Bombing-Verfahren 94 Boyle-Mariottesches Gesetz Clausing-Faktor 68 Dampffalle 19 Dampfpartialdruck 120 Dampfstrahlpumpe 121 Dampfturbine 89 Dichtheitsprüfung 55 -, industrielle 38 Dienstleistung 100 Differenzdruck 5 Differenzdruckmethode 9, 11 Diffusion 22, 97 Diffusionsleck 52 Diffusionszeit 69, 97 Dokumentation 97 Doppelboden 131 Dosierventil 64 Drehfrequenz 27 Drehschieberpumpe 22 Drosselventil 68 Druckabfallmethode 9 Druckanstiegsmethode 10 Edelgas 30 Eichleck 30 Einknopfbedienung 29 Einlaßdruck 30, 64 Einstellen 52 Einstellzeit 57 Einströmzeit 58 Einzel-Leckrate 2 Elastomere 29 Elektronen 15 Emission 49 Empfindlichkeit 73 Exponenten 30 Feinvakuum-Bereich 4 Flanschverbindungen 96 Fokussierungseinrichtung 15 Füllen 70 Gasart 5, 7 Gasballast-Einrichtung 22 Gasdurchlässigkeit 32 Gasförderpumpe 71 Gasmischung 74 Gasschleier 120 Gegenstromprinzip 29, 33f. Gesamt-Leckrate 2 Grundgeräte 32 Hagen-Poisseuille 4 Halogen-Schnüffler 9 Hauptstromprinzip 33 Hauptstromverfahren 56, 60 Heizleistung 27 Heizvorrichtung 49 Helium 31 Heliumanteil 61 Heliumgehalt 69 Helium-Leckdetektor 14 141 <?page no="154"?> Heliumwolke 89, 114 Hilfsmittel 95 Hochfrequenz-Massenspektrometer 17 Hochvakuum 15 Hochvakuumpumpe 24 Hüllentest 76 lntegralmethode 93 lntegraltest 55, 75 mit Hülle 83 Ionen 15 Ionenquelle 15 Ionenstrom 15 Justieren 52 Justierung 30 Kammer 76 Kapillarleck 52 Knudsenströmung 21 Kollektor 15 Kompressionsverhältnis 27, 35 Kompressionsvermögen 35 Kondensation 22 Kondensationsfläche 120 Konzentrationsanstieg 82 Korrekturfaktor 64 Kraftwerke 119 Kugelhahn 68 Lagertanks 131 Laminarströmung 6, 21 Laufzeit 68 Laufzeit-Massenspektrometer· 17 Leckgrößen 4 Leckmesser 32 Leckrate 1, 3 Leckratenanzeige 51 Lecksuche 55 Leitwert 68 Lokalisierung 65 Luft 69 Luft-Seifenblasen 8 Luft-Wasser 8 mbar*l/ s 2 Masse 15 Massenspektrometer 11 , 15 Meßeinrichtungen 29 Meßreihe 67 Metalldichtungen 29 142 Molekularströmung 7, 20 Neon 31 Öldiffusionspumpe 24 Ölnebelabscheider 24 Ölrückströmung 49 Omegatron 17 PE-Folie 96 pV-Durchfluß 2, 62 Partialdruck 15 Permeationsleitfähigkeit 3 Protokoll 97 Prüfaufbau 68 Prüfeinrichtung 75 Prüfmethoden 75 Prüfobjekte 95 Prüfprotokoll 97 Prüfverfahren 55 Prüfvorgang 56 Quadrupol 16 Quick-Schnüffler 72 Reinheit 61 Retorte 114 Rohrböden 128 Rohreinschweißung 114 Saugleistung 62 Saugvermögen 27, 59 Schleifenprinzip 33, 37 Schnüffelgeschwindigkeit 90f. Schnüffelsystem 73 Schnüffler 71 Separator 32, 71 Sicherheitsabschaltung 19 Sicherheitswärmetauscher 128 Silikonöl 24 Spektrum 17 Standzeit 70, 82 Steuereinrichtungen 29 Störungen 50 Strömungsarten 19 -, laminare 19 -, turbulente 19, 21 Stufenzahl 27 Teilchendichte 15 Teilstromverfahren 42, 56, 63 <?page no="155"?> Testgas 30 Testgasyerfi; ihren 9 mit gasspezifischen Meßgeräten 11 mit Vakuummetern 11 Tischgeräte 39 Totaldruck 19 Totzeit 57 transportabel 43 Transportpumpe 61 Treibmittel 24 Treibmittelrückströmung 24 Trennsystem 15 Turbomolekularpumpe 26 Überdruck-lntegraltest 78, 81 Überdruck-Lecksuche 89 . Überdruckverfahren 8, 55, 69 Ultrahochvakuum-Bereich 4 Umrechnungsfaktor 73 Vakuumanlagen 87, 114 Vakuumeinrichtung 19 Vakuum-Hüllentest 106 Vakuum-Lecksuche 85 Vakuummethode 93 Vakuumofen 114 · Vakuumpumpstand 14 Vakuumverfahren 10, 55 Verdampfer 96 Vergleichsmethode 93 Verschmutzung 48 Vorbehandlung 61 Vorevakuieren 56 Vorpumpe 22 Vorvakuumbeständigkeit 29 Vorvakuumdruck 29 Wälzkolben 64 Wärrnetauscher 109 wasserdicht 86 Wasserdruckprobe 8, 95 Wasserringpumpe 121 Weglänge 15 mittlere freie 15 Zeigergerät 73 Zeitkonstante 57 Zusatzgeräte 71 zweiflutig 37 143 <?page no="156"?> KLAUS KUTZKE Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor KLAUS KUTZKE Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor Ein Leitfaden zum praktischen Einsatz bei der Qualitätssicherung und Wartung ISBN 978-3-8169-0822-7 Dies ist das erste Buch, das umfassend die Anwendung von »Helium- Prüfungen« behandelt. Dabei ist es nicht nur eine »Rezeptesammlung« für jene, die diese empfindliche und zuverlässige Prüfmethode selbst durchführen wollen; es vermittelt auch die notwendige Sachkunde, solche Verfahren in eigene Prüf- und Abnahmevorschriften zu übernehmen und ein kompetenter Gesprächspartner für Anbieter von He-Tests und Leckdetektoren zu sein. Es gibt eine kurze, aber prägnante Einführung in die Grundlagen dieses Zweiges der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die Verfahren der Lecksuche und Dichtheitsprüfung mit dem Helium-Detektor werden (einschließlich ihrer Grenzen und möglichen Messfehler) ausführlich dargestellt. Es hilft bei der Auswahl geeigneter Geräte. Es ist aus der Praxis für die Praxis geschrieben.