DE102005027023A1

DE102005027023A1 - Verfahren und Anordnung zur integralen Dichtheitsprüfung

Info

Publication number: DE102005027023A1
Application number: DE200510027023
Authority: DE
Inventors: Gerhart Schroff; Michael Stetter
Original assignee: Individual
Current assignee: SCHROFF, GERHART, 71522 BACKNANG, DE; SCHROFF, GERHART, DE
Priority date: 2005-06-11
Filing date: 2005-06-11
Publication date: 2006-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur integralen Dichheitsprüfung von Behältern, Gehäusen und dergleichen Prüfobjekten, bei welchem das Prüfobjekt mit einem Prüfgas befüllt wird und bei welchem bei Vorhandensein eines Lecks aus dem Prüfobjekt entweichendes Prüfgas in die Umgebung gelangt oder bei Vorhandensein eines Lecks das das Prüfobjekt umgebende Umgebungsgas in das Prüfobjekt gelangt und hieraus das Leck erkannt wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der optische Brechungsindex des das Prüfobjekt (26) umgebenden Umgebungsgases und/oder der Brechungsindex des im Prüfobjekt vorliegenden Prüfgases in einem Untersuchungsvolumen (4) vozugsweise unter Verwendung eines Interferometers (20) gemessen wird und als Maß für das Vorhandensein und/oder für die Größe eines Lecks (27) ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur integralen Dichtheitsprüfung von Behältern, Gehäusen und dergleichen Prüfobjekten bei welchem das Prüfobjekt mit einem Prüfgas befüllt wird und bei welchem bei Vorhandensein eines Lecks aus dem Prüfobjekt entweichendes Prüfgas in die Umgebung gelangt oder bei Vorhandensein eines Lecks das das Prüfobjekt umgebende Umgebungsgas in das Prüfobjekt gelangt und hieraus das Leck erkannt wird.

Zur automatisierten Dichtheitsprüfung von Behältern sind verschiedene integrale Prüfverfahren bekannt. Die am häufigsten eingesetzten Prüfverfahren sind die sogenannten Druckänderungsverfahren. Hierzu zählen beispielsweise die Druckabfallmethode, die Vakuumdruckanstiegsmethode oder die Differenzdruckmethode. Allen Druckänderungsverfahren gemeinsam ist, dass aus einer gemessenen Druckänderung auf eine Leckrate geschlossen werden soll. Es wird also vorausgesetzt, dass der gemessene Druck ein eineindeutiges Maß für die Leckrate darstellt. Bei der Druckabfallmethode wird beispielsweise der Prüfling zum Beginn der Prüfung mit dem gewünschten Prüfdruck mit Druckluft beaufschlagt. Fällt nun während der Prüfzeit der Druck um einen bestimmten Betrag ab, so wird eine dem gemessenen Druckabfall pro Zeit entsprechende Leckrate dem Prüfling zugeordnet. Der Prüfling hat also eine undichte Stelle. Sobald eine festgelegte Grenzleckrate überschritten wird, wird der Prüfling als nicht mehr ausreichend dicht im Hinblick auf den späteren Einsatzfall betrachtet und als NIO-Teil bewertet. Der Vorteil dieser Druckänderungsverfahren ist, dass sie sehr kostengünstig sind. Druckänderungsverfahren sind aber auf diejenigen Anwendungsfälle beschränkt in denen nur relativ grobe Leckraten ermittelt werden müssen. Dieses liegt darin begründet, dass der gemessene Druck ein eineindeutiges Maß für die zu detektierenden Leckraten darstellen muss. Dieses ist natürlich nicht mehr der Fall, wenn beispielsweise durch thermische Einflüsse am Prüfling oder Prüfaufbau Druckänderungen hervorgerufen werden, die in derselben Größenordnung liegen, wie Druckänderungen hervorgerufen durch die zu messende Leckrate. Ähnlich wie thermische Einflüsse können auch Feuchtigkeit am Bauteil oder am Prüfaufbau, sowie eine geringfügige Elastizität des Prüflings oder der Prüfeinrichtung zu einer den Vorgang der Dichtheitsprüfung beeinträchtigenden Druckänderung führen. Als Faustformel kann man unter günstigen Bedingungen noch etwa 10 Pa als auswertbare, hinreichend stabil messbare Druckänderung ansehen. 10 Pa entsprechen bei kleinen Bauteilen in etwa einer Leckrate von 10^–2 bis 10^–3 mbarl/s. Die kleinste auswertbare Druckänderung bzw. Leckrate hängt natürlich vom Einzelfall ab.

Wenn mit Druckänderungsverfahren aufgrund der oben diskutierten Gründe nicht mehr gearbeitet werden kann, stehen für die automatisierte, integrale Dichtheitsprüfung nur noch die sogenannten Gasnachweisverfahren zur Verfügung. Allen Gasnachweisverfahren gemeinsam ist, dass der Prüfling zum Zwecke der Dichtheitsprüfung in der Regel mit einem Testgas oder Testgas/Luft-Gemisch mit Druck beaufschlagt wird und die Umgebung des Prüfobjektes auf das Testgas hin untersucht wird. Als Gasnachweissysteme können beispielsweise Massenspektrometer oder fotoakustische Gasnachweissysteme verwendet werden.

Massenspektrometer werden in der Regel immer dann als Gasnachweissysteme eingesetzt, wenn als Testgas Helium verwendet werden soll (Helium-Lecktest). Die in das Massenspektrometer eingeleiteten Gase werden innerhalb des Spektrometers ionisiert und in einem elektrischen Feld beschleunigt. Dabei muss im Massenspektrometer ein Hochvakuum (ein Druck von kleiner 10^–2 Pa) herrschen, so dass die beschleunigten Ionen möglichst ungestört ein elektromagnetisches Massenfilter passieren können. Der Ort, an dem die Moleküle das Massenfilter dann wieder verlassen, hängt daher nur noch von der Ionenmasse ab, wodurch das Testgas eindeutig identifiziert werden kann. Für den Prüfvorgang wird das Prüfobjekt in eine Testkammer eingebracht und mit Testgas bedrückt. Die Testkammer wird dann über leistungsfähige Vakuumpumpen auf einen Druck kleiner 10 Pa evakuiert. Bei Erreichen dieses Drucks wird dem Massenspektrometer ein Teil des aus der Testkammer abgesaugten Gases zugeführt. Im Massenspektrometer wird dann die Testgaskonzentration dieser Gasprobe bestimmt. Die gemessene Testgaskonzentration ist dann ein direktes Maß für die Leckage am Prüfling. Mit diesem sehr empfindlichen Dichtheitsprüfverfahren können noch Leckraten von 10^–10 mbarl/s detektiert werden. Allerdings sind die benötigten sehr leistungsstarken Hochvakuumpumpstände sehr teuer.

Bei fotoakustischen Gasnachweisverfahren erfolgt der Testgasnachweis fotoakustisch. Die in das optische Dichtheitsprüfsystem eingebrachten Moleküle werden in diesem von einem auf die Absorptionslinien des verwendeten Testgases spektral abgestimmten periodisch gepulsten Laser beleuchtet. Werden dabei auch Testgasmoleküle beleuchtet, so absorbieren diese einen Teil des eingestrahlten Laserlichtes. Diese Absorption des Laserlichtes führt dann zu, über den fotoakustischen Effekt erzeugten Schallsignalen, welche über einen in der Nachweiszelle integrierten hochempfindlichen Sensor registriert werden. Die Amplituden dieser periodischen Signale sind dann ein direktes Maß für die Testgaskonzentration (siehe hierzu auch: Deutsche Patentanmeldung DE 195 00 947.9 ; Stetter/Schroff, 14.01.1995). Als Testgas wird meist das Inertgas SF₆, sowie das Gas Ethen (C₂H₄) eingesetzt. Für den Prüfvorgang wird das Prüfobjekt in eine Testkammer eingebracht und mit Testgas bedrückt. Die Testkammer wird über eine Vakuumpumpe auf einen Druck kleiner 4 kPa evakuiert. Einige Sekunden nach Erreichen dieses Drucks wird etwas Gas aus der Testkammer dem Prüfsystem zugeführt, wo dann die Testgaskonzentration gemessen wird. Die gemessene Testgaskonzentration ist dann eine direktes Maß für die Leckage des Prüfobjektes. Mit diesem sehr empfindlichen Gasnachweisverfahren können noch Leckraten bis 10^–9 mbarl/s detektiert werden.

Ein wesentlicher Nachteil aller Gasnachweisverfahren ist darin zu sehen, dass das zu detektierende Testgas in der Umgebung des Prüfobjektes nur in sehr geringen Konzentrationen vorkommen darf. Dies liegt darin begründet, dass die gemessene Testgaskonzentration in der Umgebung des Prüflings ein eineindeutiges Maß für die zu detektierenden Leckraten darstellen muss. Dieses ist natürlich nicht mehr der Fall, wenn die Hintergrundkonzentration in der Umgebung des Prüflings in der gleichen Größenordnung liegt wie die durch das zu detektierende Leck erzeugte Testgaskonzentration. Die obere Grenze für die in der Umgebungsluft zulässigen Hintergrundkonzentration des verwendeten Testgases wird im wesentlichen durch die Messgenauigkeit, z.B. durch die Wiederholgenauigkeit der Gasnachweissysteme festgelegt. Die Messgenauigkeit liegt bei Gasnachweissystemen bei etwa 5 bezogen auf den aktuellen Messwert. Will man einen hinreichend präzisen Messwert, so sollte die Hintergrundkonzentration nicht größer als etwa 70 % der zu messenden Testgaskonzentration betragen. Eine weitere Störquelle sind Prüflinge die eine sehr hohe Leckrate, ein "Grobleck" haben, da durch diese die Hintergrundkonzentration stark ansteigt und vor allem räumlich und zeitlich starke Schwankungen zeigen kann. Dies ist der Grund für die bei Gasnachweissystemen so gefürchtete Verseuchung der Umgebungsluft (stark erhöhte und/oder stark schwankende Hintergrundkonzentration des verwendeten Testgases). Ein weiterer wesentlicher Nachteil von Gasnachweissystemen ist das sehr aufwendige und teure Gashandling in der Prüfanlage. Dieses ist notwendig, um den Prüfling für die Prüfung mit Testgas bedrücken und nach der Prüfung das Testgas wieder möglichst vollständig aus dem Prüfling entnehmen zu können, um eine Hintergrundverseuchung durch freigesetztes Testgas beispielsweise bei der Deadaption des Prüflings vermeiden zu können.

Weiter ist ein optisches Verfahren basierend auf der sogenannten Schlierenmethode, oder auch der Toeplerschen Schlierenmethode zur lokalen Leckdetektion bekannt. Dies ist eine Methode zur optischen Abbildung eines räumlich variierenden Dichtefeldes in einem transparenten Medium. Hierzu müssen die auf Leckstellen zu untersuchenden Bereiche des Prüflings tangential beleuchtet werden können. Der Prüfling wird zu Beginn der Prüfung mit einem Testgas bedrückt. Das verwendete Testgas muss einen von der, den Prüfling umgebenden, Umgebungsluft stark verschiedenen Brechungsindex haben. Tritt an einer Leckstelle am Prüfling dann das Testgas aus, so ist in den das Testgas enthaltenden Volumenelementen der Brechungsindex von dem der restlichen Umgebungsluft verschieden und das tangential am Prüfling verlaufende, idealerweise parallele Lichtbündel wird gestört, da es einen Bereich mit räumlich unterschiedlichem Brechungsindex durchläuft. Der Verlauf dieses Gradienten des Brechungsindex kann dann als Schlierenbild auf einem Schirm oder mittels einer Kamera aufgenommen werden (zu weiteren Details zur Schlierenmethode siehe z.B. dtv-Lexikon der Physik Band 8,3. Auflage, Seite 103 und 104, Deutscher Taschenbuch Verlag GmbH & Co. KG 1971). Der wesentliche Nachteil dieser Methode ist, dass Leckraten nicht quantifiziert werden können und alle relavanten Stellen am Prüfling beleuchtbar sein müssen, was bei den meisten industriellen Komponenten nicht so ohne weiteres möglich ist. Weiter führen natürlich auch schon kleinste thermisch bedingte Dichteschwankungen zu Schlierenbildern, was die Anwendbarkeit auf den Laborbereich beschränkt.

Aufgrund der zunehmenden Anforderungen an die Dichtigkeit von technischen Komponenten wird es immer wichtiger, ein preiswertes und einfach zu betreibendes alternatives Dichtheitsprüfverfahren zu den sehr teuren und vor allem aufwendig zu betreibenden Gasnachweissystemen zu finden, mit welchem noch Leckraten, die einer Druckänderung von 0,1 Pa entsprechen, sicher detektiert werden können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Dichtheitsprüfung auch noch für sehr kleine Leckraten sicher, preiswert und automatisiert unter industriellen Produktionsbedingungen durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1, dem Grundgedanken nach, sowie in Ausführungsvarianten und Ausgestaltungen derselben durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 19 und hinsichtlich der Anordnung durch die Merkmale des Anspruchs 20 und in Ausgestaltungen durch die weiteren Unteransprüche 21 bis 46 gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der optische Brechungsindex bei, für die Dichtheitsprüfung relevanten Gasen wie beispielsweise Ar, He, H₂, N₂, O₂, oder CO₂, wenn diese in einem definierten Volumen eingesperrt sind, nicht von der Temperatur abhängt, sondern nur von der Anzahl der Atome oder Moleküle pro Volumen. Tritt nun im Falle einer Leckstelle (27) am Prüfobjekt (26) Umgebungsgas in das Prüfobjekt ein oder das im Prüfobjekt befindliche Prüfgas aus diesem in eine das Prüfobjekt umgebende Testkammer (28) aus, so ändert sich hierdurch die Anzahl der Gasmoleküle oder Gasatome pro Volumen im Prüfobjekt (26) bzw. in der Testkammer (28). Der sich hierdurch ändernde Brechungsindex des Prüfgases im Innern des Prüfobjektes (26) bzw. der sich hierdurch ändernde Brechungsindex des Umgebungsgases in der Testkammer (28) ist dann ein eindeutiges Maß für die am Prüfobjekt vorliegende Leckrate. Der Brechungsindex eines Gases kann mit einer extrem hohen Genauigkeit bestimmt werden. Dieses ist auch der Grund für die sehr hohe Empfindlichkeit dieser neuartigen Methode zur Dichtheitsprüfung.

Als Umgebungsgas und Prüfgas können sowohl reine, nur aus einer Gassorte bestehende Gase eingesetzt werden, als auch Gasgemische. Auch kann die Zusammensetzung des Prüfgases mit der des Umgebungsgases identisch sein. Etwa wenn als Prüfgas und als Umgebungsgas normale Umgebungsluft verwendet wird. Die Zusammensetzung des Umgebungsgases kann aber auch von der des Prüfgases verschieden sein. In diesem Fall ändert sich dann die Zusammensetzung des Umgebungsgases und damit der Brechungsindex in eindeutiger Weise, wenn aus dem Prüfobjekt (26) an einer Leckstelle (27) Prüfgas in die das Prüfobjekt umgebende Testkammer (28) gelangt, bzw. ändert sich die Zusammensetzung und damit der Brechungsindex des im Prüfobjekt (26) befindlichen Prüfgases in eindeutiger Art und Weise wenn aufgrund einer Leckstelle (27) am Prüfobjekt (26) Umgebungsgas in das Prüfobjekt einströmt.

Vorteilhafterweise wird die Analyse des Brechungsindex des Umgebungsgases oder des Prüfgases in einem geeignet gestalteten Untersuchungsvolumen (4) durchgeführt, um eine Beeinflussung der Messung durch Umgebungseinflüsse beispielsweise eine Verschmutzung des Untersuchungsvolumens (4) sicher ausschließen zu können. Das Untersuchungsvolumen ist vorteilhafterweise so mit der Testkammer (28) oder dem Innenbereich des Prüfobjektes (26) verbunden, dass die Zusammensetzung und/oder die Dichte des im Untersuchungsvolumen (4) vorliegenden Gases während der Prüfung zu jedem Zeitpunkt der in der Testkammer (28) bzw. der im Prüfobjekt (26) entspricht.

Besonders vorteilhaft kann der Brechungsindex des Umgebungsgases oder des Prüfgases mittels eines Interferometers (20) bestimmt werden. Hierzu eignen sich Zweistrahlinterferometer, vorzugsweise ein Michelson-Interferometer oder ein Jaminsches-Interferometer oder ein Mach-Zehnder-Interferometer. Bei Zweistrahlinterferometern wird ein von einer Lichtquelle (1) erzeugter Lichtstrahl (13) in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und nachdem die beiden Teilstrahlen einen gewissen Laufweg, der für beide Teilstrahlen unterschiedlich sein kann, zurückgelegt haben wieder überlagert und damit zur Interferenz gebracht. Die Interferenz der beiden Teilstrahlen ist eindeutig durch den optischen Weg der beiden Teilstrahlen festgelegt und kann mit einem Interferenzdetektor (12), einem einfachen Fotodetektor vorzugsweise einer Fotodiode oder einer linearen Anordnung von Fotodetektoren, vorzugsweise eines CCD-Zeilendetektors oder eines CMOS-Zeilendetektors detektiert werden. Durchläuft nun einer der beiden Teilstrahlen vor der Überlagerung das Untersuchungsvolumen (4) mit dem darin enthaltenen Umgebungsgas oder Prüfgas, so ändert sich der optische Weg dieses Teilstrahls, wenn sich der Brechungsindex des im Untersuchungsvolumen (4) befindlichen Umgebungsgas oder Prüfgas aufgrund eines Lecks am Prüfobjekt (26) ändert. Diese Änderung kann dann mit dem Interferenzdetektor (12) bestimmt und als Maß für die Anwesenheit und/oder Größe eines Lecks ausgewertet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, als Interferometer (20) ein Vielstrahlinterferometer zu verwenden. Hierzu eignet sich vorzugsweise ein Fabry-Perot-Interferometer oder ein Interferometer nach Lumer oder ein Interferometer nach Lumer und Gehrcke. Bei Vielstrahl-Interferometern wird im Gegensatz zu Zweistrahlinterferometern eine große Anzahl von Teilstrahlen überlagert und zur Interferenz gebracht. Beispielsweise trifft beim ebenen Fabry-Perot-Interferometer ein paralleler Lichtstrahl (13) senkrecht auf einen teildurchlässigen Spiegel mit einem Reflexionsvermögen von beispielsweise 95 %. In einigem Abstand hinter diesem ersten teildurchlässigen Spiegel ist ein zweiter ebenfalls teildurchlässiger, zum Ersten paralleler Spiegel mit beispielsweise ebenfalls 95 % Reflexionsvermögen angeordnet. Sowohl die Intensität als auch die Phasenlage des in Transmission das Interferometer verlassenden Lichtstrahls hängt stark vom Brechungsindex des Mediums zwischen den beiden teilreflektierenden Spiegeln ab. Durchlaufen die zwischen diesen beiden Spiegeln hin und her laufenden Teilstrahlen das Untersuchungsvolumen (4) mit dem darin enthaltenen Umgebungsgas oder Prüfgas, so ändert sich der optische Weg dieser Teilstrahlen, wenn sich der Brechungsindex des im Untersuchungsvolumen (4) befindlichen Umgebungsgas oder Prüfgas aufgrund eines Lecks am Prüfobjekt (26) ändert. Diese Änderung kann dann mit dem Interferenzdetektor (12), vorzugsweise einer Fotodiode oder eines CCD-Zeilendetektors oder eines CMOS-Zeilendetektors, auf die der das Interferometer in Transmission verlassende Lichtstrahl auftrifft bestimmt und als Maß für die Anwesenheit und/oder Größe eines Lecks ausgewertet werden.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, als Lichtquelle (1) einen Laser, vorzugweise einen HeNe-Laser oder einen Festkörperlaser, vorzugweise einen frequenzverdoppelten Festkörperlaser oder eine Laserdiode mit Kollimatoroptik zu verwenden. Die Vorteile dieser Laser sind, dass diese Laser sehr preiswert in dem benötigten Leistungsbereich von einer Ausgangsleistung kleiner einigen Milliwatt optischer Leistung sind, sehr kompakt sind und Licht im sichtbaren Spektralbereich emittieren und dadurch sehr günstige optische Komponenten und sehr empfindliche und preiswerte Fotodetektoren und Zeilen-Fotodetektoren eingesetzt werden können. Weiter können diese Laser so aufgebaut werden, dass sie sowohl eine einzelne Laserlinie (Monomodebetrieb) als auch mehrere Laserlinien (Multimodebetrieb) emittieren. Dieses ist von Vorteil, da es in manchen Anwendungsfällen wichtig ist einen Monomode-Laser bzw. einen Multimode-Laser zu verwenden, etwa dann, wenn ein große Kohärenzlänge bzw. eine kleine Kohärenzlänge für den Betrieb des verwendeten Interferometers vorteilhaft ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der von der Lichtquelle (1) erzeugte Lichtstrahl (13) die Ausbreitungsform einer ebenen Welle, also eines parallelen Lichtstrahls besitzt oder die Ausbreitungsform einer Kugelwelle besitzt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Emissionsspektrum der Lichtquelle (1) durch ein Konstanthalten der Temperatur der Lichtquelle (1) zu realisieren und/oder durch eine im zeitlichen Mittel konstante Anregungsenergie der Lichtquelle (1) konstant zu halten. Die Regelung der Temperatur und der Anregungsenergie erfolgt vorzugsweise mittels einer Regeleinheit und/oder Auswerteeinheit (11).

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Konzentration von gasförmigem H₂O im Untersuchungsvolumen (4) dadurch bestimmt wird, dass mittels einer vorzugsweise als thermischer Infrarot-Strahler (IR-Strahler) ausgeführten Analysenlichtquelle (40) die einen Analysenlichtstrahl (46) emittiert, der das Untersuchungsvolumen durchstrahlt und danach auf einen Analysenstrahdetektor (45) trifft und die durch das Untersuchungsvolumen (4) transmittierte Intensität des Analysenlichtstrahls (46) mittels des Analysenstrahldetektor (45) ermittelt und aus der ermittelten Intensität die H₂O Konzentration oder der H₂O Partialdruck bestimmt wird. Weiter wird die ermittelte H₂O-Konzentration oder der H₂O-Partialdruck mit dem ermittelten Brechungsindex des im Untersuchungsvolumen (4) befindlichen Gases zum Zwecke der Leckratenbestimmung herangezogen.

Die Analysenlichtquelle (40) wird so betrieben, dass das Emissionsmaximum des Emissionsspektrums der Analysenlichtquelle (40) mit einer Absorptionsbande von H₂O übereinstimmt. Wird die Analysenlichtquelle (40) als thermischer IR-Strahler realisiert, so wird diese mit einer Temperatur zwischen 350°C und 1800°C vorzugsweise mit einer Temperatur von 570°C betrieben wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Analysenlichtquelle (40) vorzugsweise periodisch mit eine Frequenz von 10 Hz bis 40 Hz vorzugsweise mit 20 Hz durch eine Änderung der Anregungsleistung der Analysenstrahlquelle (40) gepulst wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Analysenstrahlintensitätsdetektor (45) als Thermopiledetektor ausgeführt wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Umgebungsgas Helium und/oder Wasserstoff und/oder Formiergas und/oder Luft verwendet wird und als Prüfgas Luft und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder CO₂ und/oder N₂O und/oder Argon und/oder Xenon und/oder Neon und/oder Propan und/oder n-Butan und/oder iso-Butan und/oder Dimethylether und/oder SF₆ verwendet wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Prüfgas Helium und/oder Wasserstoff und/oder Formiergas verwendet wird und als Umgebungsgas Luft und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Argon und/oder Xenon und/oder Neon und/oder CO₂ und/oder N₂O verwendet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Druck im Prüfobjekt (26) gegenüber dem Druck außerhalb des Prüfobjektes erhöht ist oder zum Zwecke der Dichtheitsprüfung erhöht wird oder der Druck im Prüfobjekt (26) gegenüber dem Druck außerhalb des Prüfobjektes erniedrigt ist oder zum Zwecke der Dichtheitsprüfung erniedrigt wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Prüfobjekt zum Zweck der Dichtheitsprüfung in eine Testkammer (28) verbracht wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Testkammer (28) mit dem gewünschten Umgebungsgas befällt wird und/oder auf einen Druck kleiner 100 hPa, vorzugsweise 10 hPa oder 10 Pa gebracht wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mittels eines Drucksensors (50) der Druck in der Testkammer (28) und/oder im Untersuchungsvolumen (4) gemessen wird und zum Zwecke der Bestimmung der Größe oder Anwesenheit eines Lecks vorzugsweise mittels einer Auswerteeinheit (11) unter Berücksichtigung der ermittelten Änderung des Brechungsindex des in dem Untersuchungsvolumen (4) befindlichen Gases ausgewertet wird und/oder zur Ablaufsteuerung des Prüfablaufs vorzugsweise zur Einstellung und/oder Regelung des Drucks in der Testkammer (28) und/oder des Untersuchungsvolumens (4) herangezogen wird.

Ausführungsbeispiel

Die Dichtheitsprüfung eines Prüfobjektes (26) kann grundsätzlich auf drei verschiedene Arten erfolgen. Bei der ersten Prüfvariante wird der Prüfling in eine Testkammer (28) verbracht und der Druck im Prüfobjekt gegenüber dem Druck in der Testkammer erhöht und/oder der Druck in der Testkammer erniedrigt. Im Falle einer Leckstelle (27) am Prüfobjekt (26) tritt dann aus dem Prüfobjekt das darin befindliche Prüfgas in die Testkammer (28) aus und der Brechungsindex des in der Testkammer (28) befindlichen Umgebungsgases wird hierdurch verändert und im Untersuchungsvolumen (4) zum Zwecke der Erkennung und/oder als Maß für die Größe eines Lecks (27) am Prüfobjekt (26) ausgewertet. Bei der zweiten Prüfvariante wird der Druck im Prüfobjekt (26) gegenüber dem Umgebungsdruck erniedrigt. Im Falle einer Leckstelle (27) am Prüfobjekt (26) gelangt dann Umgebungsgas aus der Umgebung des Prüfobjekts (26) in das Innere des Prüfobjektes und der Brechungsindex des darin befindlichen Prüfgases wird hierdurch verändert und im Untersuchungsvolumen (4) zum Zwecke der Erkennung und/oder als Maß für die Größe eines Lecks (27) am Prüfobjekt (26) ausgewertet. Bei der dritten Prüfvariante wird der Druck im Prüfobjekt (26) gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht. Im Falle einer Leckstelle (27) am Prüfobjekt (26) gelangt dann Prüfgas aus dem Inneren des Prüfobjekts (26) in die Umgebung des Prüfobjektes und der Brechungsindex des im Prüfobjekt (26) befindlichen Prüfgases wird hierdurch verändert und im Untersuchungsvolumen (4) zum Zwecke der Erkennung und/oder als Maß für die Größe eines Lecks (27) am Prüfobjekt (26) ausgewertet. Für die zweite und dritte Prüfvariante ist keine Testkammer erforderlich.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Dichtheitsprüfung nach der ersten Prüfvariante.
2 ein gegenüber 1 abgewandeltes Ausführungsdetail einer Anordnung zur Dichtheitsprüfung nach der zweiten Prüfvariante.
3 ein gegenüber 1 abgewandeltes Ausführungsdetail einer Anordnung zur Dichtheitsprüfung nach der dritten Prüfvariante.
4 eine in der Nachweiskammer und/oder Referenzkammer integrierte Einrichtung zur H₂O-Bestimmung.
5 ein gegenüber 4 abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur H₂O-Bestimmung.
Bei dem in 1 dargestellten Zweistrahl-Interferometer (20) emittiert die vorzugsweise als Laser (beispielsweise als HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm) ausgebildete Lichtquelle (1) den Lichtstrahl (13) als vorzugsweise parallelen oder leicht divergenten Laserstrahl. Der Lichtstrahl (13) wird dann mittels eines Strahlteilers (2) in zwei Teilstrahlen vorzugsweise mit gleicher Intensität aufgeteilt. Der den Strahlteiler (2) transmittierende erste Teilstrahl (13^I ) tritt danach durch ein Einkoppelfenster (5) in die Nachweiskammer (6) ein, durchsetzt diese und wird durch einen am anderen Ende der Nachweiskammer (6) angeordneten Spiegel (3) reflektiert und durchsetzt die Nachweiskammer (6) ein zweites mal und tritt dann aus der Nachweiskammer (6) durch das Einkoppelfenster (5) wieder aus. Der aus der Nachweiskammer (6) ausgetretene erste Teilstrahl (13^III ) trifft dann wieder auf den Strahlteiler (2). Der am Strahlteiler (2) reflektierte Anteil des ersten Teilstrahls (13^V ) trifft danach auf den Interferenzdetektor (12) der vorzugsweise als CCD-Zeilendetektor ausgeführt ist. Der an dem Strahlteiler (2) reflektierte Anteil des Lichtstrahls (13) – der zweite Teilstrahl (13^II ) – tritt danach durch ein Einkoppelfenster (9) in die Referenzkammer (10) ein, durchsetzt diese und wird durch einen am anderen Ende der Referenzkammer (10) angeordneten Spiegel (8) reflektiert und durchsetzt die Referenzkammer (10) ein zweites mal und tritt dann aus der Referenzkammer (10) durch das Einkoppelfenster (9) wieder aus. Der aus der Referenzkammer (10) ausgetretene zweite Teilstrahl (13^IV ) trifft dann wieder auf den Strahlteiler (2). Der am Strahlteiler (2) transmittierte Anteil des zweiten Teilstrahls (13^VI ) trifft danach auf den Interferenzdetektor (12). Der reflektierte Anteil des ersten Teilstrahls (13^V ) wird dabei auf dem Interferenzdetektor (12) mit dem transmittierten Anteil des ersten Teilstrahls (13^VI ) räumlich überlagert, so dass diese beiden Lichtstrahlen interferieren können. Der Überlagerungswinkel (W1) – Winkel zwischen den Ausbreitungsrichtungen der beiden Teilstrahlen – beträgt 0,1 bis 1 Grad, vorzugsweise 0,3 Grad. Durch die Interferenz des reflektierten Anteils des ersten Teilstrahls (13^V ) mit dem transmittierten Anteil des zweiten Teilstrahls (13^VI ) unter dem Überlagerungswinkel (W1) entsteht auf dem lichtempfindlichen linearen Fotodetektoren-Array des Interferenzdetektors (12) ein räumliches Interferenzstreifenmuster (12^I ). Vorzugsweise kann die räumliche Lage der Interferenzmaxima des Interferenzmusters (12^I ) mittels dem lichtempfindlichen linearen Fotodetektoren-Array bestimmt werden und aus der Änderung der Position der Interferenzmaxima auf dem linearen Fotodetektoren-Array (12) kann dann auf das Vorhandensein und/oder die Größe eines Lecks (27) am Prüfobjekt (26) geschlossen werden.
Die Nachweiskammer (6) und die Referenzkammer (10) sind vorzugsweise parallel zueinander in einem möglichst geringen Abstand angeordnet um einen kompakten und robusten Aufbau zu ermöglichen. Hierzu ist es notwendig, die zwischen dem Strahlteiler (2) und der Nachweiskammer (6) verlaufenden Lichtstrahlen mittels eines Umlenkspiegels (17) und die zwischen Strahlteiler (2) und Referenzkammer (10) verlaufenden Lichtstrahlen mittels eines Umlenkspiegels (16) vorzugsweise um einen Winkel von 135 Grad umzulenken. Vorzugsweise sind die Laufwege der beiden aus dem Lichtstrahl (13) erzeugten Teilstrahlen zwischen Strahlteiler (2) und Interferenzdetektor (12) geich lang ausgeführt. Vorteilhafterweise sind die Nachweiskammer (6) und die Referenzkammer (10) baugleich ausgeführt.
Um einen möglichst thermisch stabilen mechanischen Aufbau des Interferometers (20) zu ermöglichen kann als Material Invar oder etwa Zerodur verwendet werden. Des weiteren ist es vorteilhaft, das gesamte Interferometer (20) gasdicht aufzubauen und mit einem Schutzgas vorzugsweise Helium zu füllen. Eine weiter vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, das Interferometer (20) thermisch zu stabilisieren, also vorteilhafterweise die Temperatur des Interferometers konstant zu halten.
Vorteilhafterweise durchlaufen die Lichtstrahlen die Nachweis- und Referenzkammer nicht nur zweimal, sondern durchlaufen diese mittels entsprechend angeordneter Spiegel mehrfach, vorzugsweise 10 bis 20-fach, um den Brechungsindex und/oder die Änderung des Brechungsindex des in der Nachweiskammer verfüllten Umgebungsgases oder Prüfgases möglichst präzise bestimmen zu können.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Lichtstrahl (13) durch eine vorzugsweise periodische Änderung der Anregungsenergie der Lichtquelle (1) in der Intensität zu modulieren. Dieses ist von Vorteil um bei eventuell vorhandenen Vibrationen ein Verschmieren der Interferenzstreifen des Interferenzmusters (12^I ) zu unterbinden.
Die Nachweiskammer (6) ist mit einem Befüllanschluss (14) und einem Evakuieranschluss (15) versehen. Der Evakuieranschluss der Nachweiskammer (6) ist über eine Leitung (15^II ) und ein darin angeordnetes Evakuierventil (15^I ) mit einer Vakuumpumpe (24) zum Evakuieren der Nachweiskammer verbunden. Der Befüllanschluss (14) der Nachweiskammer (6) ist über eine Leitung (14^II ) und einem darin angeordneten Ventil (14^I ) mit der Testkammer (28) verbunden. Mittels des Evakuierventils (15^I ) und bei geschlossenem Befüllventil (14^I ) ist es möglich die Nachweiskammer (6) von der Testkammer (28) getrennt zu evakuieren. Die Referenzkammer (10) ist mit einem Befüllanschluss (18) und einem Evakuieranschluss (19) versehen. Der Evakuieranschluss der Referenzkammer (10) ist über eine Leitung (19^II ) und ein darin angeordnetes Evakuierventil (19^I ) mit einer Vakuumpumpe (24) zum Evakuieren der Referenzkammer verbunden. Der Befüllanschluss (18) der Referenzkammer (10) ist über eine Leitung (18^II ) und einem darin angeordneten Ventil (18^I ) mit der Testkammer (28) verbunden. Mittels des Evakuierventils (19^I ) und bei geschlossenem Befüllventil (18^I ) ist es möglich die Referenzkammer (10) von der Testkammer (28) getrennt zu evakuieren. Auf das Anbringen eines Befüllanschlusses und eines Evakuieranschlusses an der Referenzkammer (10) kann verzichtet werden, wenn die Referenzkammer (10) dauerhaft mit einem Referenzgas vorzugsweise Helium bei einem Druck von vorzugsweise 1000 hPa befüllt wird.
Die Testkammer (28) ist über eine Evakuierleitung (23^I ) und einem darin angeordneten Evakuierventil (23) mit der Vakuumpumpe (24) zum Evakuieren der Testkammer verbunden. Über ein an der Testkammer (28) angebrachtes Ventil (25) kann die Testkammer belüftet – auf Atmosphärendruck gebracht werden – und/oder mit dem verwendeten Umgebungsgas vorzugsweise Luft oder Helium auf den für die Dichtheitsprüfung gewählten Druck befüllt werden. Zur Ablaufsteuerung, vorzugsweise zur Regelung oder Steuerung des Evakuiervorganges der Testkammer (28), ist es vorteilhaft an der Testkammer (28) einen Drucksensor (50) anzuordnen und diesen mittels der Auswerteeinheit (11) abzufragen und die Ablaufsteuerung durchzuführen.
Vorteilhafterweise kann der von dem Drucksensor (50) gemessene zeitliche Druckverlauf in Verbindung mit dem ermittelten zeitlichen Verlauf des Brechungsindex, des in der Nachweiskammer (6) befindlichen Umgebungsgases, als Maß für die Anwesenheit und/oder für die Größe eines Lecks (27) am Prüfobjekt (26) ausgewertet werden.
Beispielsweise für den Fall, dass das Prüfgas von dem Umgebungsgas verschieden ist, vorzugsweise wenn als Prüfgas Helium und als Umgebungsgas Luft verwendet wird, ist es vorteilhaft, die Nachweiskammer (6) mit der Referenzkammer (10) mittels eines an der Nachweiskammer (6) angebrachten Druckausgleichanschluss (31^I ) mit einem an der Referenzkammer (10) angebrachten Druckausgleichanschluss (31^II ) über eine Leitung (31) mit einer darin angeordneten Druckausgleichsmembran (32) zum Zwecke des Druckausgleichs zwischen der Referenzkammer (10) und der Nachweiskammer (6) zu verbinden. Die Druckausgleichsmembran (32) wird dabei gasdicht ausgeführt, so dass sich in der Referenzkammer (10) und der Nachweiskammer (6) immer derselbe Druck einstellt, aber kein Gasaustausch zwischen der Nachweiskammer und der Referenzkammer möglich ist.
Die Dichtheitsprüfung eines Prüfobjektes (26) wird dann wie folgt durchgeführt:

– Das Evakuierventil (23) der Testkammer (28) und das Befüllventil (14^I ) der Nachweiskammer (6) und das Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) werden geöffnet, bis sich ein hinreichend tiefes Vakuum, vorzugsweise ein Druck von 10 Pa in der Testkammer (28) einstellt und/oder unterschritten wird. Das Vakuum kann mittels des Drucksensors (50) gemessen werden. Vorteilhafterweise wird das Prüfobjekt (26) ebenfalls mittels einer Vakuumpumpe (24) auf einen Druck kleiner 10 hPa evakuiert;
– sodann wird nach einer kurzen Wartezeit von vorzugsweise einer bis 10 Sekunden das Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) geschlossen und danach das Prüfobjekt (26) mit dem gewünschten Prüfgas, vorzugsweise Luft oder Helium befüllt und auf den gewünschten Prüfdruck gebracht;
– sodann wird nach einer weiteren Wartezeit – der Bedrückzeit – der Druck im Prüfling abgebaut, das Befüllventil (14^I ) der Nachweiskammer (6) geschlossen und die Testkammer (28) mittels des Ventils (25) belüftet um die Testkammer wieder öffnen zu können. Sobald die Testkammer belüftet ist wird das Ventil (25) wieder geschlossen.

Aus der Änderung des in der Nachweiskammer (6) gemessenen Brechungsindex des Umgebungsgases während der Bedrückzeit kann dann die Größe einer Leckage (27) am Prüfobjekt (26) bestimmt werden. Das Evakuierventil (15^I ) der Nachweiskammer und das Evakuierventil (19^I ) der Referenzkammer sind während des gesamten Prüfablaufs geschlossen. Um den Evakuiervorgang der Testkammer (28) zusammen mit dem Interferometer (20) zu beschleunigen, kann es allerdings vorteilhaft sein, diese an der Nachweiskammer und Referenzkammer angebrachten Evakuierventile für den Evakuiervorgang mit zu verwenden.
Das in 2 dargestellte Ausführungsdetail zeigt eine Anordnung des Prüfobjektes (26) zur Dichtheitsprüfung nach der zweiten Prüfvariante. Hierzu wird das Befüllventil (14^I ) der Nachweiskammer (6) zusammen mit dem Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) mittels der Befüllleitung (14^II ) an den Prüfanschluss (21) des Prüfobjektes (26) angeschlossen. Der Prüfanschluss (21) des Prüfobjektes (26) ist weiter mittels einer Evakuierleitung (21^I ) mit darin angeordnetem Evakuierventil (29) mit der Vakuumpumpe (24) verbunden. Weiter ist an dem Prüfanschluss (21) ein Belüftungsventil (30) angeschlossen. Das Evakuierventil (15^I ) der Nachweiskammer (6) ist zusammen mit dem Evakuierventil (19^I ) der Referenzkammer (10) über Evakuierleitung (15^II ) an die Vakuumpumpe (24) angeschlossen.
Die Dichtheitsprüfung eines Prüfobjektes (26) wird dann wie folgt durchgeführt:

– Das Evakuierventil (29) zum Evakuieren des Prüfobjektes (26) und das Befüllventil (14^I ) der Nachweiskammer (6) und das Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) werden geöffnet, bis sich ein hinreichend tiefes Vakuum, vorzugsweise ein Druck von 10 Pa im Prüfobjekt (26) einstellt und/oder unterschritten wird. Das Vakuum kann mittels des Drucksensors (50), der an der Befüllleitung (14^II ) angeschlossen ist, gemessen werden;
– sodann wird das Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) geschlossen;
– sodann wird nach einer kurzen Wartezeit – der Bedrückzeit – von einigen Sekunden das Befüllventil (14^I ) der Nachweiskammer (6) geschlossen und das Prüfobjekt (26) mittels des Belüftungsventils (30) belüftet. Sobald das Prüfobjekt (26) belüftet ist wird das Belüftungsventil (30) wieder geschlossen.

Aus der Änderung, des in der Nachweiskammer (6) gemessenen, Brechungsindex des im Prüfobjekt (26) vorliegenden Prüfgases während der Bedrückzeit kann dann die Größe einer Leckage (27) am Prüfobjekt (26) bestimmt werden. Das Evakuierventil (15^I ) der Nachweiskammer und das Evakuierventil (19^I ) der Referenzkammer (10) sind während des gesamten Prüfablaufs geschlossen. Um den Evakuiervorgang des Prüfobjektes (26) zusammen mit dem Interferometer (20) zu beschleunigen, kann es allerdings vorteilhaft sein, diese an der Nachweiskammer und Referenzkammer angebrachten Evakuierventile für den Evakuiervorgang mit zu verwenden.
Das in 3 dargestellte Ausführungsdetail zeigt eine Anordnung des Prüfobjektes (26) zur Dichtheitsprüfung nach der dritten Prüfvariante. Hierzu wird das Befüllventil (14^I ) der Nachweiskammer (6) zusammen mit dem Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) mittels der Befüllleitung (14^II ) an den Prüfanschluss (21) des Prüfobjektes (26) angeschlossen. Weiter ist an dem Prüfanschluss (21) ein Belüftungsventil (30) und ein Druckaufbauventil (22) angeschlossen.
Die Dichtheitsprüfung eines Prüfobjektes (26) wird dann wie folgt durchgeführt:

– Das Befüllventil (14^I ) der Nachweiskammer (6) und das Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) werden geöffnet und das Prüfobjekt (26) wird mittels des Druckaufbauventils (22) auf den gewünschten Prüfdruck gebracht und nach Erreichen des Prüfdrucks wird das Druckaufbauventil (22) geschlossen und nach einer kurzen Wartezeit wird das Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) geschlossen;
– sodann wird nach einer kurzen Wartezeit – der Bedrückzeit – von einigen Sekunden das Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) geöffnet und der Prüfdruck im Prüfobjekt (26) mittels des Belüftungsventils (30) abgebaut. Sobald das Prüfobjekt (26) auf Umgebungsdruck ist, wird das Belüftungsventil (30) und das Befüllventil (14^I ) der Nachweiskammer (6) und das Befüllventil (18^I ) der Referenzkammer (10) wieder geschlossen.

Aus der Änderung des in der Nachweiskammer (6) gemessenen Brechungsindex des im Prüfobjekt (26) vorliegenden Prüfgasesgases während der Bedrückzeit kann dann die Größe einer Leckage (27) am Prüfobjekt (26) bestimmt werden.
Das in 4 dargestellte Ausführungsdetail beschreibt eine in der Nachweiskammer und/oder Referenzkammer integrierbare Einrichtung zur H₂O-Bestimmung. Da sich beispielsweise durch feuchte Prüfobjekte die H₂O-Konzentration oder der H₂O-Partialdruck in der Nachweiskammer (6) ändern kann und sichO dieses störend bei der Leckratenbestimmung bemerkbar machen kann, ist es wichtig die H₂O-Konzentration oder den N₂O-Partialdruck präzise bestimmen zu können. Hierzu wird vorteilhafterweise in der Nachweiskammer (6) eine Analysenlichtquelle (40), vorzugsweise als thermischer IR-Strahler ausgeführt integriert. Der von der Analysenlichtquelle (40) ausgestrahlte Analysenlichtstrahl (46) trifft nach Durchlaufen einer festgelegten Messstrecke auf einen in der Nachweiskammer (6) integrierten Analysenstrahlintensitätsdetektor (45), welcher vorzugsweise als Thermopile ausgeführt wird. Dieser bestimmt dann die transmittierte Lichtintensität und/oder die Änderung der transmittierten Lichtintensität. Die transmittierte Lichtintensität und/oder die Änderung der transmittierten Lichtintensität kann dann als eindeutiges Maß für die Konzentration von H₂O in der Nachweiskammer (6) herangezogen werden und/oder für die Erkennung oder Bestimmung der Größe eines Lecks zur Berücksichtigung des Einflusses der H₂O-Konzentration auf die Leckratenbestimmung mit ausgewertet werden.
5 zeigt ein gegenüber 4 abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur H₂O-Bestimmung in der Nachweiskammer (6) und/oder der Referenzkammer (10). Die Analysenlichtquelle (40) und der Analysenstrahlintensitätsdetektor (45) werden für die einzelnen Kammern jeweils außerhalb der Nachweiskammer (6) und/oder der Referenzkammer (10) angeordnet. Der von der Analysenlichtquelle (40) erzeugte Analysenlichtstrahl (46) tritt dann durch ein Eintrittsfenster (41) in die jeweilige Kammer ein, durchsetzt diese und tritt durch ein Austrittsfenster (44) aus der jeweiligen Kammer wieder aus und trifft auf den entsprechenden Analysenstrahlintensitätsdetektor (45) zum Zwecke der Intensitätsbestimmung auf. Die transmittierte Lichtintensität und/oder die Änderung der transmittierten Lichtintensität kann dann als eindeutiges Maß für die Konzentration von H₂O in der jeweiligen Kammer herangezogen werden und/oder für die Erkennung oder Bestimmung der Größe eines Lecks zur Berücksichtigung des Einflusses der H₂O-Konzentration auf die Leckratenbestimmung mit ausgewertet werden.

Claims

Verfahren zur integralen Dichtheitsprüfung von Behältern, Gehäusen und dergleichen Prüfobjekten, bei welchem das Prüfobjekt (26) mit einem Prüfgas befüllt wird und/oder befüllt ist und bei welchem bei Vorhandensein eines Lecks (27) aus dem Prüfobjekt (26) entweichendes Prüfgas in die Umgebung gelangt oder bei Vorhandensein eines Lecks (27) das das Prüfobjekt (26) umgebende Umgebungsgas in das Prüfobjekt gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Brechungsindex des das Prüfobjekt (26) umgebenden Umgebungsgases und/oder der Brechungsindex des im Prüfobjekt vorliegenden Prüfgases gemessen wird und als Maß für das Vorhandensein und/oder für die Größe eines Lecks (27) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem das Umgebungsgas oder das Prüfgas enthaltenden Untersuchungsvolumen (4) der Brechungsindex des Umgebungsgases und/oder des Prüfgases gemessen wird und/oder als Maß für das Vorhandensein und/oder die Größe eines Lecks (27) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem das Umgebungsgas oder das Prüfgas enthaltenden Untersuchungsvolumen (4) die zeitliche Änderung des Brechungsindex des Umgebungsgases und/oder des Prüfgases gemessen wird und/oder als Maß für das Vorhandensein und/oder die Größe eines Lecks (27) ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor zur Bestimmung des Brechungsindex des in dem Untersuchungsvolumen (4) befindlichen Umgebungsgases oder Prüfgases ein Interferometer (20), mit einer Lichtquelle (1), die einen Lichtstrahl (13) erzeugt, mit mindestens einem Interferenzdetektor (12) zur Erfassung der Interferenz der durch das Interferometer aus dem Lichtstrahl (13) erzeugten Teilstrahlen verwendet wird, wobei das Untersuchungsvolumen (4) so in das Interferometer (20) integriert ist, dass eine Änderung des Brechungsindex des im Untersuchungsvolumen (4) befindlichen Gases den optischen Weg zumindest eines Teilstrahls ändert und der Interterenzdetektor (12) so betrieben wird, dass eine Änderung des optischen Weges zumindest eines dieser so erzeugten Teilstrahlen gemessen und als Maß für die Anwesenheit und/oder Größe eines Lecks ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Interferometer ein Zweistrahlinterferometer, vorzugsweise ein Michelson-Interferometer oder ein Jaminsches Interferometer oder ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Interferometer ein Vielstrahlinterferometer, vorzugsweise ein Fabry-Perot-Interferometer oder ein Interferometer nach Lumer oder ein Interferometer nach Lumer und Gehrcke verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Interferenzdetektor (12) ein Fotodetektor oder eine lineare Anordnung von Fotodetektoren, vorzugsweise ein CCD-Zeilendetektor oder ein CMOS-Zeilendetektor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (1) ein Laser, vorzugsweise ein HeNe-Laser zur Erzeugung eines vorzugweise parallelen oder in Form einer Kugelwelle sich ausbreitenden Lichtstrahls (13) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (1) ein Festkörperlaser oder eine Laserdiode vorzugsweise mit Kollimator zur Erzeugung eines vorzugweise parallelen oder in Form einer Kugelwelle sich ausbreitenden Lichtstrahls (13) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Emissionsspektrum der Lichtquelle (1) dadurch stabilisiert und/oder konstant gehalten wird, dass die Temperatur der Lichtquelle (1) vorzugsweise über eine Regeleinheit und/oder Auswerteeinheit (11) konstant gehalten wird und/oder die Anregungsenergie der Lichtquelle (1) vorzugsweise mittels einer Regeleinheit und/oder Auswerteeinheit (11) im zeitlichen Mittel konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsvolumen (4) von einem Analysenlichtstrahl (46) durchstrahlt wird und die Anwesenheit von Wasserdampf (H₂O) anhand der durch das Untersuchungsvolumen transmittierten Lichtintensität und/oder der Änderung der transmittierten Lichtintensität erkannt und/oder die Konzentration von H₂O im Untersuchungsvolumen bestimmt wird und/oder zur Erkennung oder Bestimmung der Größe eines Lecks ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysenlichtstrahl (46) von einer Analysenlichtquelle (40) erzeugt wird und vorzugsweise durch eine periodische zeitliche Änderung der Anregungsenergie der Analysenlichtquelle (40) in der Intensität und/oder spektralen Zusammensetzung moduliert wird und als Analysenlichtquelle (40) vorzugsweise ein thermischer IR-Strahler verwendet wird, der bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 1800°C, vorzugsweise bei 570°C, bei im zeitlichen Mittel konstanter Temperatur betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Untersuchungsvolumen transmittierte Lichtintensität des Analysenlichtstrahls (46) mittels eines Analysenstrahlintensitätsdetektors (45), vorzugsweise ausgeführt als Thermopile-Detektor, detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Umgebungsgas Helium und/oder Wasserstoff und/oder Formiergas und/oder Luft verwendet wird und als Prüfgas Luft und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder CO₂ und/oder N₂O und/oder Argon und/oder Xenon und/oder Neon und/oder Propan und/oder n-Butan und/oder iso-Butan und/oder Dimethylether und/oder SF₆ verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfgas Helium und/oder Wasserstoff und/oder Formiergas verwendet wird und als Umgebungsgas Luft und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Argon und/oder Xenon und/oder Neon und/oder CO₂ und/oder N₂O verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Prüfobjekt (26) gegenüber dem Druck außerhalb des Prüfobjektes erhöht ist oder zum Zwecke der Dichtheitsprüfung erhöht wird oder der Druck im Prüfobjekt (26) gegenüber dem Druck außerhalb des Prüfobjektes erniedrigt ist oder zum Zwecke der Dichtheitsprüfung erniedrigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt zum Zweck der Dichtheitsprüfung in eine Testkammer (28) verbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Testkammer (28) mit dem Umgebungsgas befüllt wird und/oder auf einen Druck kleiner 100 hPa, vorzugsweise 10 hPa gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Drucksensors (50) der Druck in der Testkammer (28) und/oder im Untersuchungsvolumen (4) gemessen wird und zum Zwecke der Bestimmung der Größe oder Anwesenheit eines Lecks vorzugsweise mittels der Auswerteeinheit (11) ausgewertet wird und/oder zur Ablaufsteuerung des Prüfablaufs vorzugsweise zur Einstellung und/oder Regelung des Drucks in der Testkammer (28) und/oder des Untersuchungsvolumens (4) herangezogen wird.
Anordnung zur Dichtheitsprüfung von Behältern, Gehäusen und dergleichen Prüfobjekten (26), mit einem Interferometer (20), bestehend aus einer Lichtquelle (1), die einen Lichtstrahl (13) erzeugt, einem Interferenzdetektor (12) zur Erfassung der Interferenz der durch das Interferometer aus dem Lichtstrahl (13) erzeugten Teilstrahlen, mit einer Nachweiskammer (6) die mit dem zu analysierenden, das Prüfobjekt umgebenden, Umgebungsgas oder mit dem zu analysierenden im Innenbereich des Prüfobjekts befindlichen Prüfgas befüllbar ist und so in das Interferometer (20) integriert ist, dass eine Änderung des Brechungsindex des im Innenbereich (4) der Nachweiskammer (6) befindlichen Umgebungsgases oder Prüfgases den optischen Weg zumindest eines, die Nachweiskammer (6) durchsetzenden Teilstrahls ändert und der Interferenzdetektor (12) so betrieben wird, dass eine Änderung des optischen Weges zumindest eines die Nachweiskammer (6) durchsetzenden Teilstrahls gemessen und als Maß für die Anwesenheit und/oder Größe eines Lecks (27) am Prüfobjekt (26) ausgewertet wird.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (20) als Zweistrahl-Interferometer, vorzugsweise als Michelson-Interferometer ausgeführt ist und der von der Lichtquelle (1) erzeugte, vorzugsweise parallele Lichtstrahl (13) mittels eines Strahlteilers (2) in die beiden Teilstrahlen, den ersten Teilstrahl (13^I ) und den zweiten Teilstrahl (13^II ) aufgeteilt wird und der den Strahlteiler (2) transmitierende erste Teilstrahl (13^I ) durch das Einkoppelfenster (5) in die Nachweiskammer (6) eintritt und diese durchsetzt und/oder der am Strahlteiler (2) reflektierte zweite Teilstrahl (13^II ) durch das Einkoppelfenster (9) in die mit einem Gas befüllbare Referenzkammer (10) eintritt und diese durchsetzt.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der die Nachweiskammer (6) durchsetzende erste Teilstrahl (13^I ) durch einen am Ende der Nachweiskammer (6) angebrachten Spiegel (3) reflektiert wird und die Nachweiskammer ein zweites mal durchsetzt und durch das Einkoppelfenster (5) aus der Nachweiskammer wieder austritt.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der die Nachweiskammer (6) durchsetzende erste Teilstrahl (13^I ) aus der Nachweiskammer durch ein Auskoppelfenster wieder austritt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der die Referenzkammer (10) durchsetzende zweite Teilstrahl (13^II ) durch einen am Ende der Referenzkammer (10) angebrachten Spiegel (8) reflektiert wird und die Referenzkammer ein zweites mal durchsetzt und durch das Einkoppelfenster (9) aus der Referenzkammer wieder austritt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der die Referenzkammer (10) durchsetzende zweite Teilstrahl (13^II ) aus der Referenzkammer durch ein Auskoppelfenster wieder austritt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Referenzkammer (10) austretende zweite Teilstrahl (13^IV ) und der aus der Nachweiskammer (6) austretende erste Teilstrahl (13^III ) unter einem vorzugsweise von Null verschiedenen Winkel (W1) auf dem Interferenzdetektor (12) überlagert werden und das entstehende Interferenzmuster ausgewertet und/oder als Maß für die Anwesenheit oder Größe eines Lecks herangezogen wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Nachweiskammer (6) austretende erste Teilstrahl (13^III ) und der aus der Referenzkammer (10) austretende zweite Teilstrahl (13^IV ) mittels eines Strahlteilers, vorzugsweise mittels des zur Generierung der beiden Teilstrahlen verwendeten Strahlteilers (2) auf dem Interferenzdetektor (12) zur Interferenz gebracht werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Interferenzdetektor (12) detektierte Interferenzmuster mittels einer Auswerteeinheit (11) analysiert und/oder als Maß für die Anwesenheit oder Größe eines Lecks herangezogen wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Lichtquelle (1) erzeugte Lichtstrahl (13), vorzugsweise mittels der Auswerteeinheit (11) durch Änderung der Anregungsenergie der Lichtquelle (1) in der Intensität moduliert wird, vorzugsweise periodisch gepulst wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachweiskammer (6) mit einem Befüllanschluss (14) und einem Evakuieranschluss (15) versehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkammer (10) mit einem Befüllanschluss (18) und einem Evakuieranschluss (19) versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Evakuieranschluss (15) der Nachweiskammer zum Evakuieren der Nachweiskammer (6) über eine Leitung (15^II ) und ein darin angeordnetes Evakuierventil (15^I ) mit einer Vakuumpumpe (24) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Evakuieranschluss (19) der Referenzkammer zum Evakuieren der Referenzkammer (10) über eine Leitung (19^II ) und ein darin angeordnetes Evakuierventil (19^I ) mit einer Vakuumpumpe (24) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt (26) von einer Testkammer (28) umgeben ist und der Befüllanschluss (14) der Nachweiskammer (6) zum Überleiten von Umgebungsgas aus der Testkammer (28) über eine Leitung (14^II ) und ein darin angeordnetes Befüllventil (14^I ) mit der Testkammer (28) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt (26) von einer Testkammer (28) umgeben ist und der Befüllanschluss (18) der Referenzkammer (10) zum Überleiten von Umgebungsgas aus der Testkammer (28) über eine Leitung (18^II ) und ein darin angeordnetes Befüllventil (18^I ) mit der Testkammer (28) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt von einer Testkammer (28) umgeben ist und diese Testkammer (28) über eine Evakuierleitung (23^I ) und ein darin angeordnetes Evakuierventil (23) mit einer Vakuumpumpe (24) verbunden ist und an der Testkammer (28) ein Belüftungsventil (25) zum Belüften und/oder Befüllen der Testkammer (28) mit dem gewünschten Umgebungsgas angebracht ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt (26) mit einem Prüfanschluss (21) versehen ist und der Befüllanschluss (14) der Nachweiskammer (6) zum Überleiten von Prüfgas aus dem Prüfobjekt (26) über eine Leitung (14^II ) und ein darin angeordnetes Befüllventil (14^I ) mit dem Prüfanschluss (21) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 33 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt (26) mit einem Prüfanschluss (21) versehen ist und der Befüllanschluss (18) der Referenzkammer (10) zum Überleiten von Prüfgas aus dem Prüfobjekt (26) über eine Leitung (18^II ) und ein darin angeordnetes Befüllventil (18^I ) mit dem Prüfanschluss (21) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem mit der Testkammer (28) und/oder der Befüllleitung (14^II ) der Nachweiskammer (6) und/oder der Befüllleitung (18^II ) der Referenzkammer (10) verbundenen Drucksensor (50) der Druck in der Testkammer (28) oder im Prüfobjekt (26) gemessen wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt (26) mit einem Prüfanschluss (21) versehen ist und dieser Prüfanschluss (21) über eine Leitung (21^I ) und ein darin angeordnetes Evakuierventil (29) mit einer Vakuumpumpe (24) verbunden ist und/oder mit einem Ventil (22) zum Befüllen und/oder Bedrücken des Prüfobjektes mit dem verwendeten Testgas verbunden ist und/oder mit einem Ventil (30) zum Belüften des Prüfobjektes (26) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachweiskammer (6) mit einem Druckausgleichanschluss (31^I ) und die Referenzkammer (10) mit einem Druckausgleichanschluss (31^II ) versehen ist und beide Anschlüsse mit einer Leitung (31) und einer darin angeordneten Druckausgleichsmembran (32) zum Zwecke des Druckausgleichs zwischen der Nachweiskammer (6) und der Referenzkammer (10) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsmembran (31) gasdicht, vorzugsweise als dünne Metallfolie oder als dünne metallbeschichtete Kunststofffolie ausgeführt ist und es so ermöglicht, dass in der Nachweiskammer (6) und der Referenzkammer (10) immer derselbe Druck vorliegt, aber kein Gasaustausch zwischen diesen beiden Kammern über die Druckausgleichsanschlüsse möglich ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nachweiskammer (6) eine Analysenlichtquelle (40), vorzugsweise als thermischer IR-Strahler ausgeführt, integriert ist und der von der Analysenlichtquelle (40) ausgestrahlte Analysenlichtstrahl (46) nach Durchlaufen einer festgelegten Messstrecke auf einen in der Nachweiskammer (6) integrierten Analysenstrahlintensitätsdetektor (45), vorzugsweise als Thermopile ausgeführt, auftrifft und die transmittierte Lichtintensität und/oder die Änderung der transmittierten Lichtintensität erkannt und/oder für die Erkennung oder Bestimmung der Größe eines Lecks zur Berücksichtigung des Einflusses der H₂O-Konzentration auf die Leckratenbestimmung mit ausgewertet werden.
Anordnung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysenlichtquelle (40) und der Analysenstrahlintensitätsdetektor (45) außerhalb der Nachweiskammer (6) angeordnet ist und der von der Analysenlichtquelle (40) erzeugte Analysenlichtstrahl (46) durch ein Eintrittsfenster (41) in die Nachweiskammer (6) eintritt, diese durchsetzt und durch ein Austrittsfenster (44) aus der Nachweiskammer (6) wieder austritt und auf den Analysenstrahlintensitätsdetektor zum Zwecke der Intensitätsbestimmung auftrifft.
Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzkammer (10) eine Analysenlichtquelle (40), vorzugsweise als thermischer IR-Strahler ausgeführt, integriert ist und der von der Analysenlichtquelle (40) ausgestrahlte Analysenlichtstrahl (46) nach Durchlaufen einer festgelegten Messstrecke auf einen in der Referenzkammer (10) integrierten Analysenstrahlintensitätsdetektor (45), vorzugsweise als Thermopile ausgeführt, auftrifft und die transmittierte Lichtintensität und/oder die Änderung der transmittierten Lichtintensität erkannt und/oder für die Erkennung oder Bestimmung der Größe eines Lecks zur Berücksichtigung des Einflusses der N₂O-Konzentration auf die Leckratenbestimmung mit ausgewertet werden.
Anordnung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysenlichtquelle (40) und der Analysenstrahlintensitätsdetektor (45) außerhalb der Referenzkammer (10) angeordnet ist und der von der Analysenlichtquelle (40) erzeugte Analysenlichtstrahl (46) durch ein Eintrittsfenster (41) in die Referenzkammer (10) eintritt, diese durchsetzt und durch ein Austrittsfenster (44) aus der Referenzkammer (10) wieder austritt und auf den Analysenstrahlintensitätsdetektor zum Zwecke der Intensitätsbestimmung auftrifft.