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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Leckage an oder in einem Bauteil.
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Bei sogenannten Elektro-Fahrzeugen, seien sie vollelektrisch oder als hybride Variante ausgeführt, oder auch Fahrzeugen mit einem wasserstoffbasierten Antrieb ist die Leistungselektronik mit ihren stromführenden Komponenten auf wesentlich höhere Ströme und Spannungen ausgelegt, als dies bei herkömmlichen Antriebskonzepten der Fall ist. Die Leistungselektronik von Elektro-Fahrzeugen ist in der Regel auf mehrere 100A und Spannungen im Bereich von 400V bis 1000V ausgelegt. Dieses hohe Strom- bzw. Spannungsniveau hat zur Konsequenz, dass Kurzschlussströme nicht nur an den betroffenen Bauteilen massive Schäden verursachen können, sondern auch für Personen, die mit den Bauteilen während eines Kurzschlusses in Berührung kommen, gefährlich oder sogar lebensbedrohlich sein können. Kurzschlüsse können durch verschiedene Faktoren begünstigt werden, wobei ein hohes Kurzschlussrisiko insbesondere von Feuchtigkeit bzw. Wasser ausgeht, durch das Strombrücken entstehen können und das durch Leckagen in stromführende Bereich eindringen kann. Grundsätzlich lässt sich das Verfahren aber auch zur Detektion von Leckagen an jeglichen Systemen einsetzen, bei denen Leckagen in beliebigen Größen gemessen werden sollen, z.B. an Rohrleitungen oder an Blistern von Medikamenten.
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Für die Leistungselektronik von Elektro-Fahrzeugen oder wasserstoffangetriebenen Fahrzeugen ergibt sich folglich eine hohe Anforderung an die Dichtigkeit ihrer stromführenden Komponenten. So ist es beispielsweise anzustreben die Komponenten der Leistungselektronik in der Qualität IP67 oder IP6k9k zu kapseln. Eine Leckage kann über zwei Methoden quantifiziert werden: Erstens über einen Druckabfall. Hierbei wird das Prüfvolumen mit einem Prüfgas unter einem bestimmten Druck befüllt und dann wird die Zufuhr des Prüfgases gesperrt. Weist das Prüfvolumen eine Leckage auf, fällt der Druck ab. Der Abfluss des Prüfgases über die Leckage lässt mit abfallendem Innendruck im Prüfvolumen nach, so dass eine reproduzierbare Messung des Masseflusses bei dieser Methode nicht möglich ist, da über die Zeit immer weniger Prüfgas austritt. Bei der zweiten Methode erfolgt eine Masseflussmessung, bei der i.d.R. der Prüfling ebenfalls auf einen bestimmten Innendruck gebracht. Im Anschluss daran wird allerdings die Prüfgaszufuhr offengehalten. Bei einer bestehenden Leckage tritt nun das Prüfgas ebenfalls aus, der Verlust wird allerdings durch die Prüfgaszufuhr nachgeregelt, so dass sich ein stabiler, konstanter Fluss ergibt, der gemessen werden kann.
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Soll eine Leckage von ca. 0,5×10-5 mbar l/s ermittelt werden, was z.B. einem Wert einer hohen Dichtigkeit gegen das Eintreten von Wasser entspricht, dann handelt es sich hierbei um eine absolut gesehen sehr geringe Leckage. Bei der Detektion derartig geringer Leckagen ist der Einsatz von üblichen Messverfahren nicht wirtschaftlich und prozesssicher nur bei hoher Taktzeit möglich. Gefordert wird aber insbesondere bei einer industriellen Anwendung die Prüfung solcher Bauteile mit einer geringen Taktzeit.
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Für die Aufspürung von derart kleinen Leckagen an oder in Bauteilen - welche im Kontext der Prüfung als Prüfling bezeichnet werden - wird beispielsweise Helium oder Wasserstoff als sogenanntes Tracer-Gas eingesetzt. Das Tracer-Gas oder ein mit Tracer-Gas versetztes Gasgemisch wird unter Druck auf einer Bauteilseite des Prüflings eingebracht. Durch das Druckgefälle dringt das Gas bzw. Gasgemisch durch kleinste Öffnungen des Prüflings und tritt auf der anderen Bauteilseite aus, so dass hier ein Anstieg der Konzentration des Tracer-Gases entsteht. Dieser Anstieg der Konzentration wird gegenwärtig beispielsweise mit Massenspektrometern gemessen und quantifiziert. Hierzu muss in dieser Prüfumgebung die Konzentration des Tracer-Gases unter der Gaskonzentration liegen, die gemessen werden soll. Die eingesetzten Massenspektrometer bzw. entsprechende Messaufbauten für einen derartigen Einsatz sind sehr teuer und, wie bereits erwähnt, der durchgeführte Messablauf ist verhältnismäßig langsam, da letztlich das Massenspektrometer bzw. die Schnüffelsonde des Geräts an der Oberfläche des Prüflings vollständig und lückenlos vorbeigeführt werden muss.
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Neben den Prüfverfahren mittels Massenspektrometer erfolgt beispielsweise im Bereich von Gasbewegungen eine Analyse mittels laserinduzierter Fluoreszenz. Hierbei geht es in der Regel darum, in Verbrennungs- und Gasmischungsprozessen, z.B. bei Gasturbinen, Motoren oder Feuerungsanlagen, oder auch in chemischen Prozessanlagen, z.B. bei wandbeheizten Strömungsrohren oder in Mikrokanäle von Brennstoffzellen, die Verteilung der darin befindlichen Gase, wie Brennstoff, Luft oder Restgas zu analysieren oder deren räumlich-zeitliche Vermischung mit einer zweiten Gaskomponente darzustellen. Hierbei können in einigen Fällen die analysierten Gaskomponenten bereits selber mittels laserinduzierter Fluoreszenz angeregt werden. Ist dies nicht der Fall, kann dem Gas ein sogenanntes Tracer-Gas beigemischt werden, welches mittels laserinduzierter Fluoreszenz angeregt wird, so dass die interessierende Gaskomponente sichtbar gemacht werden kann. Bei dem Tracer-Gas handelt es sich um einen Markierungsstoff mit ähnlichen Verdampfungseigenschaften wie das zu analysierende Gas und besitzt ein bekanntes Fluoreszenzverhalten. Ein typisches Tracer-Gas ist bspw. Toluol. Probleme entstehen bei der Erfassung der Fluoreszenz dadurch, dass das Erfassungssystem neben der eigentlichen Fluoreszenz auch das Licht der anregenden Lichtquelle erfasst und dies irrtümlich für die Fluoreszenz gehalten werden kann, sofern nicht Maßnahmen zur Vermeidung dieses Irrtums getroffen werden. Grundsätzlich sind diese Maßnahmen mit einem apparativen Aufwand verbunden.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Leckagen in kurzen Taktzeiten ohne erhöhten apparativen Aufwand detektiert werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Detektion einer Leckage an oder in einem Bauteil, bei dem ein zu einer Stokes-Verschiebung fähiges Gas oder Gasgemisch bereitgestellt wird, eine der Bauteilseiten des Bauteils mit dem über den Außendruck gehaltenen Gas oder Gasgemisch beaufschlagt wird, die andere Bauteilseite des Bauteils mit einer Lichtquelle mit einer vorgegebenen Wellenlänge oder einem vorgegebenen Wellenlängenbereich belichtet wird und ein Erfassen einer angeregten Fluoreszenz auf einer um die Stokes-Verschiebung geänderten Wellenlänge oder in einem geänderten Wellenlängenbereich als ein Vorliegen einer Leckage des Gases oder Gasgemisches in diesem Bereich des Bauteils bewertet wird.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass durch das Ausnutzen der Stokes-Verschiebung bei bestimmten Gasen bzw. Gasgemischen ein weitestgehend fehlerfreies und sicheres Erfassen der angeregten Fluoreszenz möglich ist, da die Wellenlänge der Anregung sich von der Wellenlänge der angeregten Fluoreszenz unterscheidet. Dies macht es in einem einfachsten Fall sogar möglich, die Fluoreszenz nicht nur mit bloßem Auge erkennen zu können, sondern auch als solche von der anregenden Lichtquelle unterscheiden zu können. In konkreter Ausgestaltung des Verfahrens kann es dennoch zweckmäßig sein, wenn eine angeregte Fluoreszenz über ein Kamerasystem erfasst wird. Hierdurch lässt sich insbesondere die Sicherheit der Erfassung einer angeregten Fluoreszenz reproduzierbar steigern. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in seiner Ausführung nicht teurer als ein Verfahren, welches mit einem Massenspektrometer durchgeführt wird, da sich durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere deutliche Taktzeitvorteile erzielen lassen. Das Bauteil bzw. der Prüfling kann entweder ein geschlossener Körper sein, z.B. ein Batteriemodul oder ein Flüssigkeits- oder Gastank. Aber auch offene Halbkörper, wie bspw. Batteriewannen, die später erst durch Aufbringen eines Deckels zu einem Hohlkörper werden, können einer Leckageprüfung unterzogen werden. In diesem Fall wird die offene Seite der Batteriewanne in ein Aufnahmebett einer Prüfvorrichtung gelegt, so dass das Aufnahmebett die Abdichtung der halboffenen Batteriewanne übernimmt. Das Prüfgas wird dann über das Aufnahmebett in das abgedichtete Prüfvolumen des Bauteils bzw. der Batteriewanne eingebracht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden über einen optischen Kammfilter des Kamerasystems nicht zu der um die Stokes-Verschiebung geänderten Wellenlänge oder dem geänderten Wellenlängenbereich gehörende Streulichtanteile gefiltert. Die Verwendung eines optischen Kammfilters bietet die Möglichkeit breitbandig erfassende Kamerasysteme einsetzen zu können.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als Lichtquelle eine Laserlichtquelle eingesetzt. Eine Laserlichtquelle hat den Vorteil, dass die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts sehr genau auf die erforderliche Wellenlänge zur Anregung der Fluoreszenz abstimmen werden kann. Denkbar ist, dass auch breitbandige, intensive Lichtquellen, wie z.B. Xenon-Licht - über eine Gasentladungslampe erzeugt - genutzt werden, sofern diese Lichtquelle die benötigte, anregende Wellenlänge abdeckt und die Wellenlänge einen ausreichenden Abstand zu der über die Stokes-Verschiebung gesuchte Wellenlänge der Fluoreszenz hat.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens beleuchtet eine Lichtquelle mit einem Lichtstrahl oberhalb der anderen Bauteilseite des Bauteils die zu untersuchende Fläche und es wird im Falle einer Leckage eine angeregte Fluoreszenz erfasst und über eine automatisierte Bildverarbeitung als Leckage bewertet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Lichtquelle und das Kamerasystem in einer festen geometrischen Zuordnung zueinander dreidimensional bezüglich des Bauteils zur Erfassung einer angeregten Fluoreszenz geführt. Hierdurch ist es möglich, dass eine Automatisierung des Erfassungsprozesses in einfacher Weise möglich ist, beispielsweise indem die einzelnen das Verfahren ausführenden Komponenten zu einer Erfassungsvorrichtung zusammengestellt und über eine zentrale Steuerungs- und Auswerteeinheit bewegt werden. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, dass die Lichtquelle und die Kamera getrennt voneinander bewegt werden oder dass die Lichtquelle stationär angeordnet wird und die Kamera bewegt wird, so dass das Licht die zu untersuchende Fläche ausreichend beleuchtet und die Kamera die Fläche perspektivisch erfasst. Die angeregte Fluoreszenz strahlt kugelförmig in alle Raumrichtungen gleichmäßig ab. Für eine quantitative Bestimmung ist die Lichtenergie, die auf das durch die Leckage austretende Prüfgas trifft, entscheidend, wodurch eine reproduzierbare Erkennung ermöglicht wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Bereitstellung eines Gasgemisches einem Gas ein Fluorophoren beigemischt wird. Als Fluorophoren kann beispielsweise Toluol Verwendung finden. Hierbei handelt es sich um eine Flüssigkeit, die drei Paare aus Anregungs- und Emissionswellenlängen aufweist, nämlich 315/400nm, 340/390nm und 420/470nm.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine bildgebende Vorrichtung bereitgestellt und über die bildgebende Vorrichtung erfolgt eine überlagerte Darstellung des Bauteils und der als Leckagestellen bewertete Bauteilbereiche. Diese Verfahrensausgestaltung hat den Vorteil, dass das Verfahren in einfacher Weise auf einem portablen Prüfgerät ausgeführt werden kann, dass beispielsweise eine im Service tätige Person mit sich tragen kann und im Bedarfsfall einsetzen kann. In konkreter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Darstellung des Bauteils, d.h. des Prüflings, als gespeichertes Abbild des Bauteils der bildgebenden Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen
- 1 eine mögliche Prüfanordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 schematisch die Prüfanordnung gemäß 1 mit Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge und
- 3 eine weitere schematische Darstellung der Prüfanordnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leckageerkennung mittels Fluoreszenz basiert auf der wellenlängen- und intensitätsabhängigen Anregung eines Gases oder eines Gasgemisches. Erfindungsgemäß wird die an sich bekannte Stokes-Verschiebung genutzt, um insbesondere die für die Anregung genutzte Lichtquelle und ein für die Erfassung, d.h. Erfassung der fluoreszierenden Emission, genutztes Kamerasystem gezielt auf die jeweilige Wellenlänge abzustimmen. Dies bedeutet vor allem für das erfassende Kamerasystem, dass es weniger mit Streulicht der anregenden Lichtquelle konfrontiert ist, als in dem Fall, in dem Wellenlänge der Anregung und der Erfassung zusammenfallen.
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Die 1 zeigt eine mögliche Prüfanordnung, über die das erfindungsgemäße Verfahren zur Leckageerkennung ausgeführt werden kann. Die Darstellung der 1 ist lediglich skizzenhaft und ist nicht zwingend maßstäblich ausgeführt. Das Verfahren zur Leckageerkennung wird an einem Bauteil 10 ausgeführt, welches im Folgenden als Prüfling 10 bezeichnet wird. Der Prüfling 10 kann beispielsweise als Gehäuse mit einem Volumen vorliegen, wobei es sich bei dem Prüfling 10 beispielsweise um eine Batteriewanne oder ein Gehäuse für einen Leistungsinverter handeln kann. In einem realen Betrieb des Prüflings 10 befinden sich innerhalb des Gehäuse bzw. in dem Volumen die zu schützenden Gegenstände, z.B. Batteriemodule oder die Komponenten der Leistungselektronik.
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Es wird ein Prüfgas oder Prüfgasgemisch bereitgestellt. Das Prüfgas bzw. das Prüfgasgemisch kann entweder direkt z.B. aus einer Gasflasche 20 entnommen oder im Falle eines Prüfgasgemisches durch Mischung eines Prüfgases mit einer verdampften Substanz 22 erzeugt werden. Die Verdampfung der Substanz erfolgt in einem Verdampfer 24. Die Zufuhr zum Prüfling 10 erfolgt üblicherweise über einen Druckminderer 26 und über im Übrigen nicht dargestellte Anschlussmittel mit einem Prüfinnendruck pi in das Volumen des Prüflings 10. Somit ist die innere Bauteilseite 12 des Prüflings 10 mit dem Prüfinnendruck pi beaufschlagt, während an der äußeren Bauteilseite 14 weiterhin Außendruck pa anliegt. Vorgesehen ist, dass der Prüfinnendruck pi über dem Außendruck pa liegt, so dass das Prüfgas oder Prüfgasgemisch infolge des Druckgefälles bestrebt ist, durch eine eventuelle bestehende Leckage 18 in der Bauteilwandung 16 nach außen zu strömen. Der Begriff Leckage ist nicht absolut zu verstehen, sondern eher in einer qualitativen Hinsicht. Unter Leckage kann beispielsweise ein Zustand verstanden werden, bei dem ein Prüfgas oder Prüfgasgemisch, welches sich unter Prüfinnendruck pi in dem Prüfling 10 befindet, eine Leckage von höchstens 0,5×10-5 mbar l/s erfährt. Liegt die Leckage unter diesem bedarfsweise festgelegten Wert, dann kann für den vorliegenden Zweck von einer hinreichenden Dichtigkeit des Prüflings 10 ausgegangen werden.
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Zudem ist eine Lichtquelle 30 vorgesehen, die vorliegend beispielsweise als Laserlichtquelle ausgeführt ist. Hierbei kann der Beleuchtungsstrahlengang aus einem kollimierten Laserstrahl der Laserlichtquelle oder aus einem Faserkollimator und optional einer Fokussierung bestehen. Das Licht der Laserlichtquelle 30 strahlt mit einer Wellenlänge f1, wobei diese beispielsweise in einem Bereich von 350nm bis 1100nm liegen kann. Die Laserlichtquelle 30 kann eine durch eine Leckage 18 des Prüflings 10 austretende Prüfgasmenge zur Fluoreszenz anregen, wodurch diese mit einer Wellenlänge f2 strahlt. Erfindungsgemäß wird hierbei ein Prüfgas bzw. Prüfgasgemisch genutzt, dessen Fluoreszenz infolge der inhärenten Stokes-Verschiebung mit einer anderen Wellenlänge f2 abstrahlt, als die Wellenlänge f1 der anregenden Laserlichtquelle 30. Das Ausnutzen der Stokes-Verschiebung zur Leckageerkennung ist insofern vorteilhaft, als dass durch den Unterschied zwischen anregender Wellenlänge f1 und Wellenlänge f2 der Fluoreszenz die Auswertung und deren technische Apparatur lediglich auf die Wellenlänge f2 der zu erwartenden Fluoreszenz ausgerichtet bzw. abgestimmt werden muss.
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Zum Erfassen der angeregten Fluoreszenz wird bevorzugt ein Kamerasystem 40 eingesetzt. Das Kamerasystem 40 kann beispielsweise eine Kamera mit einem CMOS-Sensor umfassen. Alternativ kann auch eine EEM-CCD-Kamera zum Einsatz kommen. Insgesamt ist es erforderlich, dass das Kamerasystem 40 empfindlich auf Photonen reagiert. Um die Auswertegenauigkeit weiter zu steigern, umfasst das Kamerasystem 40 in der Erfassungsoptik 42 der Kamera einen oder mehrere optische Kammfilter 44. Der oder die Kammfilter 44 sind auf die Wellenlänge f2 der angeregten Fluoreszenz abgestimmt, so dass die Erfassungsgenauigkeit der Kamera weiter gesteigert wird, da diese in der Regel ein breitbandiges Empfindlichkeitsprofil hat, welches sich ggf. auf die Wellenlänge f1 der anregenden Laserquelle 30 erstreckt. Die Bildinformationen des Kamerasystems 40 können über eine rechnerbasierte Auswerteeinheit 50 ausgewertet werden, wobei ein Erfassen einer angeregten Fluoreszenz auf einer Wellenlänge f2 zu einem Leckagewert berechnet wird und in Abhängigkeit des Betrages des Leckagewertes auf ein Vorliegen einer Leckage des Gases oder Gasgemisches in diesem Bereich des Bauteils geschlossen wird.
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Die 2 zeigt schematisch den Prüfling, die Lichtquelle 30, das Kamerasystem und Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge. Zunächst ist die Wellenlänge f1 der anregenden Lichtquelle 30 gezeigt, die auf die Leckage 18 gerichtet ist und die durch das austretende Prüfgas bzw. Prüfgasgemisch durch die Stokes-Verschiebung als Fluoreszenz mit der Wellenlänge f2 aus dem Bereich der Leckage 18 abgestrahlt wird. Die Wellenlänge f2 kann ungehindert die Erfassungsoptik 42 des Kamerasystem 40 passieren, da der Kammfilter 44 lediglich die Photonen der Wellenlänge f2 nicht herausfiltert. Die Erfassungsoptik 42 kann zudem ein Sammelobjektiv 46 und ein Kameraobjektiv 48 umfassen. Aber auch Streulicht, welches beispielsweise als Wellenlänge f1 oder fx in die Erfassungsoptik eintreten kann, wird durch den Kammfilter 44 herausgefiltert.
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Die 3 zeigt anhand der beiden Doppelpfeile oberhalb der Lichtquelle 30 und des Kamerasystems 40 schematisch die Möglichkeit, Lichtquelle 30 und Kamerasystem 40 zum Abfahren größerer oder vereinzelter Flächen durch einen Manipulator, welcher vorliegend nicht dargestellt ist, entlang des Prüflings 10 zu bewegen. Hierbei können Lichtquelle 30 und Kamerasystem 40 in einer festen räumlichen Zuordnung durch eine entsprechende Mechanik zur Suche der Leckage über den Prüfling 10 bewegt werden. Bei einer integrierten Ausgestaltung können Lichtquelle 30 und Kamerasystem 40 auch in einem portablen Gerät zusammengefasst sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil bzw. Prüfling
- 12
- Bauteilseite
- 14
- Bauteilseite
- 16
- Bauteilwandung
- 18
- Leckage
- 20
- Gasflasche
- 22
- Substanz
- 24
- Verdampfer
- 26
- Druckminderer
- 30
- Lichtquelle
- 40
- Kamerasystem
- 42
- Erfassungsoptik
- 44
- Kammfilter
- 46
- Sammelobjektiv
- 48
- Kameraobjektiv
- 50
- Auswerteeinheit
