///Alles zur Dichtheitsprüfung
Alles zur Dichtheitsprüfung 2018-05-09T14:27:18+00:00

Dichtheitsprüfung – Was ist das?

Dichtheitsprüfung und Dichtheitsprüfanlagen für die Serienproduktion

Bei der Dichtheitsprüfung in der Serienproduktion kommen verschiedene Sensoren zum Einsatz. Ein äußerst wichtiger Punkt ist, dass bei Dichtheitsprüfverfahren nicht selten die Nachweisgrenze des Sensors genannt wird und nicht die Nachweisgrenze oder detektierbare Leckagerate einer Dichtheitsprüfanlage bzw. -vorrichtung. Die Bestimmung der Leckagerate einer Dichtheitsprüfanlage zu nennen, ist immer vom jeweiligen Anwendungsfall und Prüfobjekt abhängig.  Im folgenden finden Sie zuerst eine Übersicht über die am häufigsten eingesetzten Sensoren sowie deren Nachweisgrenze. Im Anschluss werden die einzelnen Verfahren hinsichtlich des Einsatzes in einer Dichtheitsprüfanlage betrachtet. Es gibt etliche Verfahren im Bereich der Dichtheitsprüfung. Welches das Richtige ist, hängt immer davon ab, um welche Art von Anwendungsfall es sich handelt. Wir zeigen Ihnen im Folgenden, welche verschiedenen Verfahren es gibt und für welchen Anwendungsfall sie geeignet sind. Ebenfalls zeigen wir Ihnen die Definition, Berechnung und Umrechnung von Leckageraten. Haben Sie weitere Fragen zu den verschiedenen Verfahren und Anwendungen. Schreiben Sie uns oder rufen Sie uns direkt an. Gemeinsam finden wir die optimale Lösung für Ihren spezifischen Anwendungsfall.

Verfahren Helium-Vakuum Helium-Atmosphäre Ultraschall
Sensor Massenspektrometer z.B. Wise TechnologyTM Ultraschall-Prüfkopf
Was wird gemessen/detektiert? Strom 10-15 A 2 x 10-10 A Luftblase < 0,1 mm Ø
Nachweisgrenze 10-12  mbar x l/s 10-6 mbar x l/s 10-8 mbar x l/s in 60s


Verfahren Wasserstoff Differenzdruck Unterwasser-Sicht-Prüfung
Sensor Halbleitersensor Drucksensor Auge
Was wird gemessen/detektiert? Strom 1 – 0,1 Pa Luftblase  1 mm Ø
Nachweisgrenze 10-6 mbar x l/s 10-4 mbar x l/s bei
1 Pa, 0,1 l Volumen
und 10s
2,6 x 10-5 mbar x l/s in 20s


Rund um die Leckagerate



Definition Leckagerate 2018-05-29T11:46:18+00:00

 

Leckrate nach DIN EN 1330-08

Die Leckrate ist der p · V – Durchsatz pro Zeiteinheit eines bestimmten Fluids durch ein Leck unter definierten Bedingungen:

qL:
p:
V:
t:
Leckrate
Druck
Volumen
Zeit
SI-Einheit: Pa · m3/s
gängige Einheit: mbar · l/s
1 Pa · 1 m3/s = 10 mbar · l/s

Zu den definierten Bedingungen gehören unbedingt:

pi: Innendruck (absolut)
pa: Außendruck (absolut)
Fluid: z.B.: Luft, He (100%), Wasser, etc.
T: Temperatur


Warum diese Definition?

Für inkompressible Fluide (Flüssigkeiten) gilt in weiten Bereichen ein fester Zusammenhang zwischen Volumen und Masse (Teilchenzahl) über die konstante Dichte:

V:
m:
ρ:
Volumen
Masse
Dichte

Für kompressible Fluide (Gase) variiert das Volumen bei konstanter Teilchenzahl stark mit Druck und Temperatur. Daher ist eine allgemeine Definition über die austretende Stoffmenge (Teilchenzahl oder Masse) besser. Mit der idealen Gasgleichung gilt dann:

oder

p:
V:
N:
kB:
m:
R:
T:
Druck
Volumen
Anzahl der Teilchen
Boltzmann-Konstante
Masse der Teilchen
spezielle Gaskonstante
Temperatur
Berechnung Leckagerate 2018-06-06T15:35:55+00:00

Berechnung der Leckagerate

Fall 1: Gilt für das Ausströmen eines kompressiblen Fluids (Gas) aus einem mit Druck beaufschlagten Behälter durch eine Öffnung (einfache Düsen).

Es gilt:

Massenstrom: Massenstrom
Volumenstrom: Volumenstrom
Leckrate: Leckrate
Α: Querschnittsfläche des Lecks
Ψ: Ausflussfunktion
pi: Druck im Prüfling
ρi: Dichte des Prüfgases innerhalb des Prüflings
pa: Druck außerhalb des Prüflings
ρa: Dichte des Prüfgases außerhalb des Prüflings
R: Spezifische Gaskonstante (Luft: 287, Helium: 2078 [J/(kg*K)])
Τa: Temperatur außen

 


Für die Ausflussfunktion Ψ gilt:
Ausfluss
κ Adiabatenexponent des Prüfgases (1,4 für Luft, 1,66 für Helium)

Mit der Korrektur durch den Reibungsbeiwert μ ergibt sich der Massenstrom zu:

Massenstrom:
Massenstrom

μ: Reibungsbeiwert (z.B. zylindrisches Ansatzrohr mit L/D= 2 … 3, μ=0,82)


Beispiel 1:

Wasserbadprüfung bei 1350 mbar Innendruck und 1043 mbar Aussendruck
(unter Berücksichtigung des hydrostatischen Drucks im Becken):

Leckdurchmesser in μm
Leckrate in mbar · l/s.
10
1,4E-02
15
3,1E-02
20
5,5E-02
50
3,5E-01
100
1,4E+00

Fall 2: Gilt für den Durchfluss eines kompressiblen Fluids (Gas) durch einen kreisrunden Leckkanal.

Massenstrom:
Leckrate:

 

m: Masse
pi: Innendruck
pa: Außendruck
η: Dynamische Viskosität
l: Länge Leckkanal
d: Durchmesser Leckkanal
kR: Boltzmann Konstante
mMolekül: Masse eines Moleküls
T: Temperatur
R: universelle Gaskonstante
M: molare Masse

Beispiel 2:

Helium(100%)-Leckagerate eines 1mm langen Leckkanals mit einem Durchmesser von 15µm bei 300mbar Innendruck und 0mbar Aussendruck (Vakuum):

Beispiel 3:

Luft-Leckagerate eines 1mm langen Leckkanals mit einem Durchmesser von 15µm bei 1350mbar Innendruck und 1050mbar Aussendruck:

Beispiel 3

Fall 3: Gilt für den Durchfluss eines inkompressiblen Fluids (Flüssigkeit) durch einen kreisrunden Leckkanal.

Leckrate: Formel Leckrate

 

pi: Innendruck
pa: Außendruck
η: Dynamische Viskosität
l: Länge Leckkanal
d: Durchmesser Leckkanal

Hinweis:
Für sehr kleine Durchmesser d ist diese Formel nicht ohne weiteres anwendbar, da sich durch die Oberflächenspannung und andere Einflüsse wesentlich geringere Leckageraten ergeben. Unter bestimmten Bedingungen kommt es für sehr kleine Durchmesser bei Flüssigkeiten praktisch zur Leckagerate 0.

Umrechnung Leckagerate 2018-05-29T11:55:32+00:00

Umrechnung der Leckagerate

Für die meisten praxisrelevanten Fälle liegen die Grenzleckraten im Bereich laminarer Strömung (qL > 10-6 mbar · 1/s) dann gilt für die Umrechnung der Leckrate:

Leckrate

qL: Leckagerate
pi: Innendruck (absolut)
pa: Außendruck (absolut)
η: Dynamische Viskosität

Praktische Versuche zur Leckagerate zeigen, dass diese Umrechnung im Bereich Gas-Gas sehr gut angewendet werden kann. Bei der Umrechnung von flüssig-gasförmig liefert die Theorie der Leckagerate keine brauchbaren Ergebnisse und kann höchstens für eine sehr grobe Abschätzung eingesetzt werden.

Die verschiedenen Verfahren der Dichtheitsprüfung

Helium-Dichtheitsprüfung 2018-04-25T14:35:33+00:00

Es gibt zwei verschiedenen Verfahren bei der Helium-Dichtheitsprüfung. Zum Einen die Helium-Dichtheitsprüfung unter Vakuum und zum Anderen die Helium-Dichtheitsprüfung in Atmosphäre. Während die Detektion des aus dem Leck ausströmenden Heliumgases mit einem Massenspektrometer in jedem Fall ein Hochvakuum im Massenspektrometer erfordert (p < 10-4mbar), stehen inzwischen auch Heliumsensoren zur Verfügung, die kein Vakuum mehr erfordern. Allerdings können mit dem Massenspektrometer noch weit geringere Mengen Helium nachgewiesen werden als dies mit anderen Sensoren der Fall ist.


Helium-Dichtheitsprüfung unter Vakuum

Bei diesem Verfahren ist als Sensor ein Massenspektrometer notwendig.
Die Heliumatome werden mit Hilfe eines Elektronenstrahls ionisiert. Die nun elektrisch geladenen Teilchen werden in einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt. Dabei hängt der Radius der Kreisbahn von der Masse der Teilchen ab. Durch den Schlitz in der Blende gelangen nur Teilchen einer bestimmten Masse. Diese erzeugen dann einen elektrischen Strom am Detektor.

Messprinzip – Prüfanlage/-vorrichtung
Vakuum-Prüfkammer und Prüfteil werden evakuiert. Dann wird das Prüfteil mit Helium oder einem He-Gemisch beaufschlagt. Durch das vorher vorhandene Vakuum im Prüfteil wird eine gleichmäßige Verteilung des Prüfgases erreicht. Nach dem Erreichen eines bestimmten Vakuum in der Prüfkammer wird das Massenspektrometer zugeschaltet und die Messung durchgeführt.
Mit einer Schnüffelsonde kann die Leckage evtl. anschließend bei Atmosphäre lokalisiert werden. Da mit der Schnüffelsonde nur gröbere Leckagen detektiert werden können, kann es durchaus vorkommen, dass keine Leckage gefunden wird. Eine Alternative zur Leck Lokalisierung stellt die Nachprüfung im Wasserbad dar.

 


Helium-Dichtheitsprüfung unter Atmosphäre

Messprinzip – WiseTM-Sensor
Mit Hilfe eines wartungsfreien Helium Sensors (z.B. T-GuardTM) kann auch bei Atmosphärendruck eine ansteigende Heliumkonzentration in einer Prüfkammer gemessen werden. Der eigentliche Sensor besteht aus einer nur für Helium durchlässigen Quarz-Membran und einer permanent evakuierten Glasröhre (vgl. Röhrenfernseher), sowie einem Anodenring und einer Kathodenplatte. Bei einer Konzentration von 5ppm Helium fließt ein Strom von 2-10-10A.

 

 

 

Messprinzip – Prüfanlage/-vorrichtung
Mit Hilfe von Ventilatoren oder einer Umwälzung wird im Falle eines Lecks (Helium strömt in die Kammer) eine möglichst homogene Verteilung in der Kammer erzeugt. Dies ist erforderlich, da sonst Lecks an unterschiedlichen Stellen sehr unterschiedliche Messwerte ergeben würden.

Ultraschall-Dichtheitsprüfung 2018-04-25T14:34:34+00:00

Zuverlässiges Lokalisieren und Detektieren der Leckagen

Bei der Ultraschall-Dichtheitsprüfung können Leckagen nicht nur detektiert, sondern auch mittels optionalem Ultraschall-Blasen-Detektion-System lokalisiert werden. Dies Verfahren ist gegenüber dem Werker-Wasserbad-Test (der sogenannten Unterwasser-Sicht-Prüfung) zuverlässiger, da auch kleinste Luftblasen vom Ultraschall-Blasen-Detektions-System detektiert und lokalisiert werden können, die für das menschliche Auge kaum oder gar nicht mehr sichtbar sind.

 

Differenzdruck-Dichtheitsprüfung 2018-04-25T14:33:57+00:00

Differenzdruck-Dichtheitsprüfung

Messprinzip – Sensor
Als Sensor kommt ein Differenzdrucksensor zum Einsatz. Solche Sensoren sind heute in der Lage Druckunterschiede bis zu 1Pa teilweise sogar bis 0,1Pa aufzulösen. Der Differenzdrucksensor wird zwischen dem Prüfteil und einem Referenzvolumen, welches ebenfalls mit dem Prüfdruck beaufschlagt wird, angebracht.

Messprinzip – Prüfanlage/-vorrichtung
Prüfteil und Referenzvolumen werden mit dem Prüfdruck beaufschlagt. Nach einer Beruhigungsphase wird die durch ein Leck entstehende Druckdifferenz zwischen Prüfteil und Referenzvolumen gemessen. Über die Kenntnis der Volumina im Prüfraum (Prüfteil und Leitungen) kann die Druckänderung in eine Leckagerate umgerechnet werden. Wenn die Voraussetzungen für eine Differenzdruckprüfung gut erfüllt sind, ist diese Prüfmethode in der Regel das kostengünstigste und schnellste Dichtheitsprüfverfahren.

Prüfvolumen
Da nicht die aus dem Leck austretende Gasmenge detektiert wird, sondern die indirekte Druckänderung, muss berücksichtigt werden, dass ein und dasselbe Leck bei einem kleinen Volumen eine große Druckänderung bewirkt, bei einem großem Volumen jedoch nahezu keine Druckänderung. DPLT eignen sich also tendenziell eher für kleinere Volumen bzw. für hohe zulässige Leckageraten.
Temperatur- oder Volumenänderung während der Messzeit
Leider kann eine Druckänderung nicht nur durch ein Leck hervorgerufen werden. Eine Temperatur- oder eine Volumenänderung während der Messzeit bewirken ebenfalls eine Druckänderung. Soll eine Differenzdruckprüfanlage zuverlässig funktionieren, so muss die Druckänderung aufgrund der geforderten Grenzleckagerate deutlich höher sein, als die Druckänderung durch die genannten Einflüsse. Schon das Einlegen eines Prüfteils durch einen Werker kann das Prüfteil erwärmen. Durch die anschließende Abkühlung kann das Ergebnis stark verfälscht werden.

 

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