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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils mit abgeschlossenem Volumen, das nach der Fertigung zur einwandfreien Funktion auf eine vorliegende Leckage hin überprüft werden muss.
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Beim Stand der Technik werden zur Leckagemessung eines Prüfvolumens von produzierten Bauteilen üblicherweise die konventionellen Techniken, wie z. B. eine Druckmessung, Luftblasenprüfung, ein Tropfentest oder eine kostenintensive Spurengasanalyse mit teurem Helium- und Wasserstoffgas eingesetzt. Diese bekannten Techniken zur Leckageprüfung sind einerseits teilweise einer optischen Begutachtung bzw. subjektiven Auswertung einer möglichen Bauteil-Leckage unterworfen sowie andererseits auch mit großem Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
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In DE GROOT, W. A.: Fiber-Optic Based Compact Gas Leak Detection System, 1995, URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/19960014856 [abgerufen am 08.07.2021] wird ein System zur Erkennung einer Treibstoff-Leckage basierend auf der Raman-Spektroskopie offenbart.
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US 5,386,717 A offenbart ein Testverfahren zur Ermittlung einer Gasleckage.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass hierbei die Leckage des Volumens eines Bauteils objektiv und betriebssicher durch Bestimmen der Molekülanzahl eines in das Bauteilvolumen eintretenden oder daraus austretenden Gases erfolgt. Hierbei ist keine kontinuierliche Messung über einen bestimmten Zeitraum, sondern lediglich eine erste Bestimmung und ein Vergleich des ersten Werts mit dem Ergebnis einer zeitlich beabstandeten nachfolgenden Messung der Moleküranzahl mittels Raman-Spektroskopie zur Ermittlung bzw. Überprüfung einer eventuell vorliegenden Leckage des Bauteils erforderlich. Dies führt zu einer signifikant geringeren Überprüfungszeit und erheblich reduziertem Kostenaufwand.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die erste Bestimmung der Molekülanzahl durch Festlegung der Molekülanzahl aus vorbekannten Werten bei vorgegebenen Drücken und Temperaturen, z. B. aus einer Tabelle. Hierdurch kann eine zeit- und kostenaufwändige erste Messung zur Leckageprüfung des Bauteils entfallen.
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Weiterhin bevorzugt kann die erste Bestimmung der Molekülanzahl durch Messen der Molekülanzahl mittels einer Raman-Spektroskopie erfolgen. Dadurch kann eine Leckageprüfung einer Serie von Bauteilen mit kürzeren Messzeiten erfolgen, was eine große Zeitersparnis z. B. bei der Endkontrolle der Produktion der Bauteile zur Folge hat.
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Vorzugsweise kann Luft als das im Verfahren eingesetzte Gas verwendet werden. Dies ist insbesondere dadurch von großem Vorteil, dass die verwendete Raman-Spektroskopie im Gegensatz zu den bisher verwendeten Gasanalyse-Verfahren des Standes der Technik in der Lage ist, die Gase Stickstoff und Sauerstoff beziehungsweise Luftmoleküle direkt zu messen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Druck im umgebenden Volumen des Bauteils kleiner als im abgeschlossenen Volumen des Bauteils. Dadurch kann die Raman-Spektroskopie in der darin zugehörigen Messzelle erfolgen, die zur Bestimmung der Molekülanzahl auf einfache Weise an das umgebende Volumen angeschlossen werden kann, in dem sich die Moleküle infolge eines Leckagestroms aus dem Bauteil wegen des anfänglichen Unterdrucks des umgebenden Volumens anreichern. Dies hat einen einfachen Aufbau und einen minimierten Platzbedarf der Prüfvorrichtung im industriellen Einsatz zur Folge.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Druck im abgeschlossenen Volumen des Bauteils kleiner als im umgebenden Volumen. Demzufolge kann die Raman-Spektroskopie in der daran angeschlossenen Messzelle erfolgen, die zur Bestimmung der Molekülanzahl auf einfache Weise an das abgeschlossene Volumen des Bauteils angeschlossen werden kann. Die Moleküle reichern sich wegen des anfänglichen Unterdrucks im abgeschlossenen Volumen des Bauteils in dieser Messzelle infolge eines Leckagestroms aus dem umgebenden Volumen in der Messzelle an. Demzufolge ist eine effiziente serielle Leckageprüfung einer Vielzahl von Bauteilen mit nur einer Messvorrichtung in kürzerer Zeit und mit geringeren Kosten möglich.
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Weiterhin bevorzugt kann der geringere Druck ein vollständiges Vakuum sein. Dementsprechend kann eine erste Bestimmung der Molekülanzahl im entsprechenden Volumen infolge einer nicht vorhandenen Molekülanzahl entfallen, was zu einer weiteren erheblichen Zeit- und Kostenersparnis beiträgt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann ein Druckunterschied zwischen den Volumina herrschen, indem eine Druckerhöhung in einem der Volumina durchgeführt wird. Dieser Druckzustand ist bei der Leckageprüfung bestimmter Bauteile schneller und kostengünstiger herzustellen und beschleunigt demzufolge die Abfolge bzw. Frequenz der Prüfschritte.
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Vorzugsweise kann das Verfahren mindestens zwei Gasanteile, insbesondere Sauerstoff und Stickstoff, bestimmen und messen. Durch diese redundante Erfassung der gasförmigen Hauptanteile von Luft kann die Leckagemessung mit dem preiswerten Prüfmedium Luft durchgeführt werden und eine teure Versorgung mit Formiergas entfallen.
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Weiterhin bevorzugt werden für die Raman-Spektroskopie eine Vorrichtung mit einem Diodenlaser mit einer Laserdiode mit einem Visual-Bragg-Grating-Element und eine Raman-Messkammer eingesetzt. Hierdurch ist ein Spektralbereich ab ca. 800nm mit ausreichender Strahlleistung verfügbar. Darüber hinaus werden durch das integrierte Visual-Bragg-Grating-Element die spektrale Laserlinienbreite, sowie die Stabilität hinsichtlich der Wellenlänge und Leistung verbessert. Zudem verkürzt eine Raman-Messkammer mit entsprechend kleinem Volumen die erforderliche Zeitspanne bis zur abschließenden Messung der angereicherten Molekülanzahl.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind im Diodenlaser ein Bandpassfilter und/oder ein Langpassfilter angeordnet. Dadurch wird die Strahlung der Laserdiode außerhalb der Laserwellenlänge stark minimiert, was ein stärkeres und stabileres Messsignal zur Folge hat.
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Weiterhin bevorzugt wird die Streustrahlung des Laserstrahls des Diodenlasers durch zusätzliche Blenden und/oder antireflexbeschichtete Oberflächen im Strahlengang minimiert. Dadurch kann die erzeugte sekundäre Störstrahlung im Raman-Spektralbereich ausreichend reduziert werden, um ein stabiles und starkes Messsignal zu erhalten.
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Vorzugsweise wird das Verfahren insbesondere zur Dichtheitsprüfung von Rohren von Sonnenkollektoren, Druckausgleichsgefäßen von Bremskraftverstärkern und gekapselten, spritzwassergeschützten elektronischen Fahrzeug-Bauteilen eingesetzt. Hierbei kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zur Zeit- und Kostenreduzierung bei der Prüfung von großen Bauteilvolumina der Rohsysteme von z.B. Sonnenkollektoren und bereits mit Stickstoff gefüllten Ausgleichsgefäßen von z.B. Bremskraftverstärkern eingesetzt werden. Bei gekapselten, spritzwassergeschützten elektronischen Fahrzeug-Bauteilen mit zum Teil größerem Volumen kann das abgeschlossene Volumen des Bauteils nicht nachträglich befüllt werden und folglich durch die bekannten Prüfmethoden gar nicht überprüft werden. Hier schafft das erfindungsgemäße Verfahren eine entscheidende vorteilhafte Möglichkeit, die erforderliche Leckageprüfung auf einfache, rasche und betriebssichere Weise durchzuführen.
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Vorzugsweise wird zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils mit abgeschlossenem Volumen eine Vorrichtung eingesetzt, die ein Raman-Spektroskop mit einem Diodenlaser zur Erzeugung eines Laserstrahls, eine Raman-Messzelle und ein Spektrometer zur Erfassung des Streulichts umfasst. Durch diese optimierte Vorrichtung wird die industrielle Anwendbarkeit für eine serielle Leckageprüfung von Bauteilen mit dem Prüfmedium Luft und ohne teure Spezialgasversorgung geschaffen. Im Vergleich zu den bekannten Druckmesstechniken wird eine schnellere Detektionzeit bei vergleichsweise geringeren thermischen Einflüssen erreicht.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung für eine Raman-Spektroskopie, und
- 2 eine grafische Darstellung eines ermittelten Raman-Spektrums für Luftsauerstoff.
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Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Vorrichtung 1 und ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils 2 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus der schematischen Ansicht von 1 ersichtlich, umfasst die Vorrichtung 1 einen Diodenlaser 10, der einen Laserstrahl 11 in eine Raman-Messzelle 13 aussendet, die über einen Anschluss 12a mit einem das Bauteil 2 umgebenden Volumen 12 verbunden ist. An die Raman-Messzelle 13 ist ferner eine Vakuumpumpe 17 über ein Absperrventil 18 angeschlossen, um die Raman-Messzelle 13 und das das Bauteil 2 umgebende Volumen 12 zu evakuieren.
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Das mit der Raman-Messzelle 13 verbundene, das Bauteil 2 umgebende Volumen 12, das mit einem Gas, insbesondere mit Stickstoff und Sauerstoff bzw. mit Luft gefüllt ist, wird mittels der Vakuumpumpe 17 teilweise oder völlig evakuiert, sodass im umgebenden Volumen 12 im Vergleich zu einem abgeschlossenen Volumen 9 des Bauteils 2 ein geringerer Druck herrscht.
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Im umgebenden Volumen 12 mit dem geringeren Druck wird durch eine erste Bestimmung die vorhandene Molekülanzahl des enthaltenen Gases (Anzahl der Sauerstoff- und/oder Stickstoffmoleküle) entweder aus vorbekannten Werten der Molekülanzahl bei bekannten Druck- und Temperaturwerten (bei einem vollständigen Vakuum ist die Molekülanzahl gleich 0) oder durch eine erste Messung mittels eines (Raman-)Spektrometers 16 ermittelt. In der Messzelle 13 dabei auftretendes Streulicht 15 des Laserstrahls 11 wird vom Spektrometer 16 erfasst und als Raman-Signal angezeigt bzw. ausgegeben. Ein Absorber 14 nimmt das Restlicht des Laserstrahls 11 auf, um Fehlmessungen zu vermeiden.
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Bei einer vorliegenden Leckage des abgeschlossenen Volumens 9 des Bauteils 2 reichern sich Gas- bzw. Sauerstoff- und/oder Stickstoffmoleküle aus dem abgeschlossenen Volumen 9 des Bauteils 2 im (druckreduzierten) umgebenden Volumen 12 an. Diese Sauerstoff- und/oder Stickstoffmoleküle können nach Abschluss der Anreicherung bzw. Ablauf einer vorgegebenen Anreicherungszeit in der angeschlossenen Raman-Messzelle 13, in der die gleiche volumenspezifische Anreicherung der eingetretenen Moleküle wie im umgebenden Volumen 12 stattgefunden hat, spektroskopisch erfasst werden. Aus der Signalwertänderung zwischen der ersten Bestimmung und der zweiten Messung mittels der Raman-Spektroskopie kann dann auf der Grundlage von vorbekannten Zahlenwerten (einer angereicherten Molekülanzahl von Sauerstoff- und/oder Stickstoffmolekülen) auf eine Leckage bzw. mangelnde Dichtheit des abgeschlossenen Volumens 9 des Bauteils 2 geschlossen werden.
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Um ein befriedigendes Raman-Signal zu erhalten, muss der verwendete Diodenlaser 10 eine hohe Leistung von mehreren Watt (ca. 2 - 30W) aufweisen. Durch die Anordnung eines Visual-Bragg-Grating-(VBG-)Elements im Diodenlaser 10 wird die spektrale Laserlinienbreite ca. um den Faktor 10 verschmälert und sowohl die Einhaltung/Stabilität der Wellenlänge verbessert als auch den Temperaturdrift ca. um den Faktor 30 im Vergleich zu Dioden ohne VBG verringert. Zudem weist der Diodenlaser 10 einen geringen Stromverbrauch auf.
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Darüber hinaus wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ein Bandpassfilter im Diodenlaser 10 eingesetzt, um die Laserdiodenstrahlung auf die spezifische Laserwellenlänge zu optimierten bzw. außerhalb davon stark zu minimieren. Durch die zusätzliche Verwendung eines Langpassfilters sowie Blenden und von antireflexbeschichteten Oberflächen im Strahlengang des Laserstrahls 11 kann die Streustrahlung des Laserstrahls 11 weiter reduziert werden. Auch die Messkammer 13 ist mit antireflexbeschichteten Innenoberflächen zur Reduzierung einer sekundären Streustrahlung versehen. In 2 ist beispielhaft eine grafische Darstellung eines durch die Vorrichtung ermittelten Raman-Spektrums für Luftsauerstoff veranschaulicht. Hierbei ist auf der Ordinatenachse A die Zählrate und auf der Abszissenachse B die relative Wellenzahl/cm-1 aufgetragen, und die Sauerstoff-Raman-Linie mit C bezeichnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leckageprüfung eines Bauteils mit einem abgeschlossenen Volumen 9 wird nachfolgend ebenfalls mit Bezug auf 1 detailliert beschrieben.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Druckunterschied zwischen einem abgeschlossenen Volumen 9 des Bauteils 2 und einem das Bauteil 2 umgebenden Volumen 12 erzeugt, so dass im abgeschlossenen Volumen 9 des Bauteils 2 ein erster Druck und im umgebenden Volumen 12 ein zweiter Druck herrscht. Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der zweite Druck im umgebenden Volumen 12 des Bauteils 2 infolge einer erfolgten Druckreduzierung (Evakuierung) geringer als der erste Druck im abgeschlossenen Volumen 9 des Bauteils 2, sodass sich bei einer Leckage aus dem abgeschlossenen Volumen 9 des Bauteils 2 ein Leckagestrom von Gasmolekülen, insbesondere von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen der enthaltenen Luft in das das Bauteil 2 umgebende Volumen 12 einstellt. Alternativ kann auch eine Druckerhöhung im Volumen 9 oder Volumen 12 vorgenommen werden, um den Druckunterschied herzustellen, sodass sich beim Vorliegen eines Lecks ein Leckagestrom von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen zum entsprechend anderen Volumen mit niedrigerem Druck einstellt. Es ist im Allgemeinen wirtschaftlicher, dass in dem im Vergleich kleineren der beiden Volumina 9, 12 der geringere Druck hergestellt wird bzw. herrscht, um darin eine rasche Anreicherung der Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle zu erreichen.
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In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Molekülanzahl eines Gases im Volumen 12 bestimmt, in welchem der geringere Druck herrscht. Dies kann, wie oben beschrieben, aus vorbekannten Werten für die im umgebenden Volumen 12 bei vorgegebenen Drücken und Temperaturen vorliegende Anzahl der Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle erfolgen. Alternativ dazu kann diese anfängliche Molekülanzahl im umgebenden Volumen 12 durch Messen mittels der oben beschriebenen Vorrichtung 1 einer Raman-Spektroskopie erfolgen. Dadurch wird ein Ausgangs-/Anfangswert der Molekülanzahl für die Dichtheitsprüfung mittels der Raman-Spektroskopie bestimmt.
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In einem dritten Verfahrensschritt wird eine vorbestimmte Zeitspanne lang abgewartet, bis die Anreicherung der Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle im Volumen 12 signifikant evakuierbar ist. Während dieser Zeitspanne ist es nicht erforderlich, dass die Raman-Messzelle 13 kontinuierlich am umgebenden Volumen 12 angeschlossen bleibt.
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In einem vierten Verfahrensschritt wird danach die sich im umgebenden Volumen 12 angereicherte Molekülanzahl mittels der Vorrichtung 1 gemessen, indem die Raman-Messzelle 13 je nach Schritt 2 gegebenenfalls erneut über dem Anschluss 12a mit dem umgebenden Volumen 12 verbunden wird.
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Durch die bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Trennung von Anreicherungszeit und Messzeit kann eine Vielzahl von Bauteilen zeitlich gestaffelt nacheinander mit nur einer Vorrichtung auf Dichtheit geprüft werden.
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In einem fünften Verfahrensschritt wird die im vierten Verfahrensschritt gemessene Molekülanzahl mit der vor Ablauf der Zeitspanne bestimmten Molekülanzahl verglichen und aus dem Differenzwert bzw. der Signaländerung der Raman-Spektroskopie (siehe 2) auf eine ggf. vorliegende Leckage im abgeschlossenen Volumen 9 des Bauteils 2 geschlossen.
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Die Vorrichtung und das Verfahren können erfindungsgemäß z. B. insbesondere für die Dichtheitsprüfung von Sonnenkollektoren eingesetzt werden, deren inneres Rohrsystem (abgeschlossenes Volumen 9) evakuiert bzw. druckreduziert wird, um über die Anreicherung von Sauerstoff- und/oder Stickstoffmolekülen aus dem umgebenden Volumen 12 (das hierbei die umgebende Atmosphäre bzw. die Umgebungsluft darstellt) eine ggf. vorliegende Undichtigkeit über die am abgeschlossenes Volumen 9 des Bauteils 2 angeschlossene Messkammer 13 mittels der Raman-Spektroskopie zu prüfen. Infolge der Verwendung von Stickstoff und Sauerstoff bzw. Luft anstelle von teuerem Formiergas kann hierbei eine Prüfkammer zur Bedrückung des Rohrsystems mit Formier- bzw. Spurengas entfallen, woraus eine kostengünstigere und insgesamt weniger aufwendige Dichtigkeitsprüfung resultiert.
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Ferner können die Vorrichtung und das Verfahren insbesondere auch bei der Dichtheitsprüfung von Druckausgleichsgefäßen von Bremskraftverstärkern eingesetzt werden, die mit Stickstoff gefüllt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierbei den leckenden Stickstoff aus dem Druckausgleichsgefäß (abgeschlossen Volumen 9) in ein begrenztes umgebendes Volumen 12 direkt erfassen. Aufgrund des nach der Produktion vorliegenden erhöhten Drucks des Stickstoffs im Druckausgleichsgefäß entfällt hierbei sogar eine Evakuierung des umgebenden Volumens 12.
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Darüber hinaus können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren auch bei der Dichtheitsprüfung von gekapselten, spritzwassergeschützten elektronischen Bauteilen eingesetzt werden. Das abgeschlossene innere Volumen 9 dieser Bauteile kann nach der Produktion generell nicht mehr geöffnet und mittels einer konventionellen Spurengasanalyse mit einem eingefüllten Formiergas oder konventionellen Druckabfallmethoden auf Dichtheit geprüft werden. Eine Leckage dieser Bauteile kann hierbei mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Weise über die Anreicherung von Sauerstoff- und/oder Stickstoffmolekülen im druckreduzierten umgebenden Volumen 12 festgestellt werden, falls eine Undichtigkeit vorliegt.
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Neben dem Einsatz von Luft als preiswertem Prüfmedium weisen die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren für die Dichtheitsprüfung von Bauteilen mit abgeschlossenem Volumen eine sehr kurze Bestimmungs-/Messzeit durch die molekülspezifische Raman-Spektroskopie auf, die weitgehend unabhängig von thermischen Einflüssen sowie druckbeeinflussenden Störungen (wie z. B. Druckanstiege durch Ausgasungen von Fett und Öl am/im zu prüfenden Bauteil) ist.
