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Die Erfindung betrifft eine Lecksuchvorrichtung und ein Lecksuchverfahren zur kombinierten integralen und lokalisierenden Lecksuche.
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Bei der Methode „Rate of Rise“ zur integralen Gaslecksuche wird ein Prüfling mit Hilfe einer Vakuumpumpe evakuiert und anschließend der Totaldruckverlauf im evakuierten Prüfling gemessen, um anhand des Totaldruckverlaufs auf ein Gasleck des Prüflings zu schließen. Bei im Wesentlichen gleichbleibendem Druck kann davon ausgegangen werden, dass der Prüfling dicht ist. Bei ansteigendem Totaldruckverlauf wird davon ausgegangen, dass der Prüfling ein Leck aufweist.
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Alternativ zu der integralen Lecksuche erfolgt die lokalisierende Lecksuche mit Hilfe einer Sprühpistole oder mit Hilfe eines Schnüffellecksuchers, um den Ort eines Lecks im Prüfling zu lokalisieren. Bei den herkömmlichen Gaslecksuchverfahren konnte entweder nur eine integrale Leckerkennung oder eine lokalisierende Leckerkennung erfolgen. Bei der Druckanstiegsmessung muss das zu prüfende Volumen vollständig isoliert sein, d.h. während der Messung darf das Messvolumen nicht weiter evakuiert werden, um den Druck nicht zu verändern. Demgegenüber erfordert jedoch ein herkömmliches Lecksuchgerät mit einer Prüfgassprühpistole ein kontinuierliches Abpumpen des zu messenden Gases aus dem Prüfling. Ein gleichzeitiges Messen der integralen Dichtheit und eine Prüfgas-Sprühlecksuche ist mit den bisherigen Lecksuchvorrichtungen nicht möglich.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lecksuchvorrichtung und ein verbessertes Lecksuchverfahren bereitzustellen.
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Bei einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Lecksuchvorrichtung ist ein Prüflingsanschluss, an den der zu untersuchende Prüfling angeschlossen wird, mit dem Einlass einer Prüflings-Hochvakuumpumpe verbunden. Der Auslass der Prüflings-Hochvakuumpumpe ist über eine Prüflingsleitung mit dem Einlass einer Vorvakuumpumpe verbunden. Ferner ist die Vorvakuumpumpe mit einem Gasdetektor verbunden, der über mindestens eine erste Gasleitung mit der Prüflings-Hochvakuumpumpe, der Prüflingsleitung und/oder dem Prüflingsanschluss derart verbunden ist, dass dem Gasdetektor über die erste Gasleitung Gas von dem Prüflingsanschluss zur Gasanalyse zugeführt wird. Die Besonderheit der ersten Variante der Erfindung besteht darin, dass in der Prüflingsleitung ein mit einem Gasdrucksensor verbundenes Gasdruckmessvolumen derart ausgebildet ist, dass während der Gasanalyse mit dem Gasdetektor eine integrale Lecksuche durch gleichzeitiges Messen des Druckverlaufs, z.B. des Totaldrucks, des Differenzdrucks, des Gasdrucks oder des Partialdrucks, in dem Gasdruckmessvolumen erfolgen kann.
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Bei einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Lecksuchvorrichtung ist ebenfalls ein Prüflingsanschluss vorgesehen, an den der zu untersuchende Prüfling angeschlossen wird, während der Einlass einer Vorvakuumpumpe über eine Detektorleitung mit dem Auslass einer Detektor-Hochvakuumpumpe verbunden ist. Der Gasdetektor ist mit dem Einlass der Detektor-Hochvakuumpumpe verbunden und über mindestens eine erste Gasleitung mit der Prüflingsleitung und/oder mit dem Prüflingsanschluss derart verbunden, dass dem Gasdetektor über die Gasleitung Gas vom Prüflingsanschuss zugeführt wird. Die Besonderheit der zweiten Variante der Erfindung besteht darin, dass in der Detektorleitung ein mit dem Gasdrucksensor verbundenes Gasdruckmessvolumen derart ausgebildet ist, dass während der Gasmessung mit dem Gasdetektor eine integrale Lecksuche durch Messen des Druckverlaufs in dem Gasdruckmessvolumen erfolgen kann.
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Bei dem Gasdetektor kann es sich um einen Partialdrucksensor handeln, der eine Gasart gasselektiv detektieren kann, wie zum Beispiel ein Massenspektrometer.
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Die Gemeinsamkeit beider Varianten der Erfindung besteht darin, dass ein mit einem Gasdrucksensor verbundenes Gasdruckmessvolumen eine integrale Lecksuche durch Messen des Druckverlaufs in dem Gasdruckmessvolumen ermöglicht, während oder nachdem die Gasmessung mit dem Gasdetektor zur lokalisierenden Lecksuche erfolgt. Während also der Gasdetektor zur lokalisierenden Lecksuche genutzt wird, kann mit Hilfe des Gasdruckmessvolumens und dem daran angeschlossenen Gasdrucksensor zeitgleich oder in schnellem Wechsel mit der lokalisierenden Lecksuche eine integrale Lecksuche erfolgen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lecksuchverfahren zur kombinierten integralen und lokalisierenden Lecksuche wird zunächst ein Prüfling an den Prüflingsanschluss angeschlossen und der Prüfling anschließend evakuiert. Gas aus dem Prüfling wird in das Gasdruckmessvolumen transportiert und der Druckverlauf des Totaldrucks wird während eines Zeitraums in dem Gasdruckmessvolumen gemessen. Gleichzeitig wird der Prüfling mit einem Prüfgas, beispielsweise in Form von Wasserstoff oder Helium, besprüht und ein Teilstrom des aus dem Prüfling abgesaugten Gases über die Gasleitung dem Gasdetektor zugeführt und von dem Gasdetektor analysiert. Dabei kann die Prüflings-Hochvakuumpumpe den aus dem Prüfling abgesaugten Gasstrom derart aufteilen, dass leichte Gasbestandteile über die Gasleitung dem Gasdetektor zugeführt werden, während ein Großteil des mit der Prüflings-Hochvakuumpumpe aus dem Prüfling geförderten Gases in das Gasdruckmessvolumen hinein komprimiert wird. Dabei handelt es sich typischerweise um Luft. Die in das Gasdruckmessvolumen komprimierte Luft kann nicht über die Prüflings-Hochvakuumpumpe in den Gasdetektor gelangen.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Gasdruckmessvolumen und der Vorvakuumpumpe ein selektiv sperrbares Sperrventil ausgebildet ist, um das Gasdruckmessvolumen während der Druckanstiegsmessung von der Vorvakuumpumpe zu trennen. Die Vorvakuumpumpe kann dadurch während der Druckanstiegsmessung benutzt werden, um den Gasdetektor zu evakuieren und/oder eine mit dem Gasdetektor verbundene Detektor-Hochvakuumpumpe. Dies kann insbesondere bei einem massenspektrometrischen Gasdetektor von Vorteil sein.
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Die Gasleitung kann dabei einen Zwischengasanschluss der Prüflings-Hochvakuumpumpe mit dem Gasdetektor, beispielsweise über einen Zwischengasanschluss der Detektor-Hochvakuumpumpe, verbinden. Alternativ oder ergänzend kann eine Gasleitung vorgesehen sein, die die Prüflingsleitung zwischen Prüflings-Hochvakuumpumpe und Vorvakuumpumpe und/oder das Gasdruckmessvolumen mit dem Gasdetektor, zum Beispiel über einen Zwischengasanschluss der Detektor-Hochvakuumpumpe, verbindet. Hierbei kann eine Drossel mit einem vorgegebenen Leitwert in der Zwischengasleitung vorgesehen sein, um einen kontinuierlichen Gasstrom aus dem Gasdruckmessvolumen dem Gasdetektor zuzuführen. Unter Berücksichtigung des bekannten Leitwerts der Drossel und/oder des Druckabfalls über die Drossel kann der Totaldruckanstieg in dem Gasdruckmessvolumen bestimmt werden.
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Insbesondere kann es sich bei der Prüflings-Hochvakuumpumpe um eine Boosterpumpe handeln, die zusammen mit einem herkömmlichen massenspektrometrischen Gegenstromlecksucher betrieben wird. Dabei sollte jede Zwischengasleitung und möglichst auch die Verbindungsleitung zwischen Detektor-Hochvakuumpumpe und Vorvakuumpumpe jeweils mit einem selektiv schließbaren Sperrventil versehen sein.
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Das Gasdruckmessvolumen ist mit einem Gasdrucksensor zum Messen des Druckverlaufs in dem Gasdruckmessvolumen versehen. Bei dem Gasdrucksensor kann es sich um einen Gasdichtesensor oder um ein Manometer zur Totaldruckmessung handeln.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Lecksuchvorrichtung,
- 2 einen ersten Druckverlauf,
- 3 einen zweiten Druckverlauf,
- 4 ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Lecksuchvorrichtung und
- 5 ein schematisches Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Lecksuchvorrichtung.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die erste Variante der Erfindung. Ein Prüfling 12 ist an einem Prüflingsanschluss 14 angeschlossen, der gasleitend mit dem Eingang einer Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 verbunden ist. Die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 ist über eine Prüflingsleitung 18 mit einer Vorvakuumpumpe 20 verbunden und weist ein Gasdruckmessvolumen 22 auf, das über einen ersten Teil der Prüflingsleitung 18 mit dem Auslass 19 der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 und über einen zweiten Teil der Prüflingsleitung 18 mit dem Einlass der Vorvakuumpumpe 20 gasleitend verbunden ist. Das Gasdruckmessvolumen 22 ist mit einem Gasdrucksensor 24 verbunden, der den Gasdruck p1 innerhalb des Gasdruckmessvolumens 22 misst.
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Ein Zwischengasvakuumanschluss 26 der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 ist über eine erste Gasleitung 28 mit einer Detektor-Hochvakuumpumpe 30 verbunden. Die Detektor-Hochvakuumpumpe 30 und die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 sind jeweils Turbomolekularpumpen herkömmlicher Bauart. Der Einlass der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 ist mit dem Gasdetektor 32 verbunden. Der Gasdetektor 32 ist ein Massenspektrometer, das von der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 evakuiert wird. Die Detektor-Hochvakuumpumpe 30 ist über eine Verbindungsleitung 34 mit der Vorvakuumpumpe 20 verbunden. Bei der in 1 dargestellten Anordnung handelt es sich um einen massenspektrometrischen Gaslecksucher nach dem Gegenstromprinzip, bei dem das Gas aus dem Prüfling 12 über die Gasleitung 28 im Gegenstrom in das Massenspektrometer 32 gelangt.
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Eine zweite Gasleitung 36 verbindet das Gasdruckmessvolumen 22 mit einem weiteren Zwischengasanschluss der Detektor-Hochvakuumpumpe 30. Dabei weist die zweite Gasleitung 36 eine Drossel 38 mit vorgegebenem und beispielsweise einstellbarem Gasleitwert auf. Über die zweite Gasleitung 36 kann kontinuierlich Gas aus dem Gasdruckmessvolumen 22 im Gegenstrom durch die Detektor-Hochvakuumpumpe 30 in das Massenspektrometer 32 gelangen. Während bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Gasleitung 28 und die zweite Gasleitung 36 in Kombination dargestellt sind, sind weitere, in den Figuren nicht dargestellte Ausführungsbeispiele denkbar, bei denen entweder die erste Gasleitung 28 ohne die zweite Zwischengasleitung 36 vorhanden ist, oder bei denen die zweite Zwischengasleitung 36 ohne die erste Gasleitung 28 vorhanden ist.
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Eine dritte Gasleistung (40) ist bei allen Ausführungsbeispielen denkbar und bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel vorhanden. Die dritte Gasleitung 40 verbindet das Gasdruckmessvolumen 22 gasleitend mit dem weiteren Zwischengasanschluss der Gasdetektor-Hochvakuumpumpe 30 und weist ein selektiv schließbares Ventil 3 auf. Über das Ventil 3 und die dritte Zwischengasleitung 40 kann das Gasdruckmessvolumen 22 entlüftet werden.
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Die erste Gasleitung 28 weist ein selektiv schließbares erstes Sperrventil 1 auf. Die zweite Zwischengasleitung 36 weist eine selektiv schließbares zweites Sperrventil 2 auf. Die dritte Zwischengasleitung 40 weist ein selektiv schließbares drittes Sperrventil 3 auf. Der das Gasdruckmessvolumen 22 und die Vorvakuumpumpe 20 verbindende zweite Abschnitt der Prüflingsleitung 18 weist ein selektiv schließbares viertes Sperrventil 4 auf. Die die Detektor-Hochvakuumpumpe 30 mit der Vorvakuumpumpe 20 verbindende Verbindungsleitung 34 weist ein selektiv schließbares fünftes Sperrventil 5 auf.
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Die erste Gasleitung 28 ist mit einem zweiten Drucksensor 42 versehen, der den Druck am Zwischengasauslass bzw. Zwischengasvakuumanschluss 26 der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 misst.
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Die Verbindungsleitung 34 weist zwischen dem fünften Ventil 5 und dem Auslass der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 einen dritten Drucksensor 44 auf, der den Druck am Auslass der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 misst.
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Der Gasdrucksensor 24 ist am Vorvakuumanschluss der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 und somit gewissermaßen am Einlass des Lecksuchers vorgesehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Druckanstieg im Gasdruckmessvolumen 22 hinter, d.h. stromabwärts der Prüflings-Hochvakuumpumpe gemessen. Die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 kann auch als Boosterpumpe bezeichnet werden.
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Die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 trennt den aus dem Prüfling 12 abgesaugten Gasstrom in leichte Komponenten, wie z.B. Helium und/oder Wasserstoff, die hauptsächlich zu der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 transportiert werden und zur lokalisierenden Lecksuche (Sprühlecksuche) dienen, während der überwiegende Anteil der aus dem Prüfling 12 abgesaugten Luft in das Gasdruckmessvolumen 22 hinter, d.h. stromabwärts der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 transportiert wird. Aufgrund der großen Kompression zwischen dem Zwischengasvakuumanschluss 26 und dem Auslass der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 wirkt die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 als Sperre für die Luftkomponenten. Das Gasdruckmessvolumen 22 wird zyklisch durch Schalten mindestens eines der Ventile in den mit dem Gasdruckmessvolumen 22 verbundenen Detektorleitungen 18, 36, 40, d. h. mindestens eines der Ventile V2, V3 oder V4, abgeschlossen, bevorzugt durch Schalten des dritten Ventils V3. Durch die einströmende und durch die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 komprimierte Luft wird der Druck im Gasdruckmessvolumen 22 erhöht und durch den Drucksensor 24 gemessen. Der Druckanstieg ist proportional zur integralen Undichtigkeit des Prüflings 12. Der Zwischengasvakuumanschluss 26, der auch als Zwischengasauslass bezeichnet werden kann, ist dabei kontinuierlich offen und mit dem Gasdetektor 32, genauer gesagt einem ersten Zwischengasanschluss der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 verbunden. Dadurch kann gleichzeitig zur integralen Lecksuche eine lokalisierende Lecksuche, hier in Form einer Sprühlecksuche, nach dem massenspektrometrischen Gegenstromprinzip erfolgen.
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Alternativ zu dem kompletten Abschließen des Gasdruckmessvolumens 22 über das vierte Ventil 4 kann der Gasstrom über die Drossel 38 einer zweiten Zwischengasleitung 36 zu einem zweiten oder demselben Zwischengasanschluss der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 geführt werden. Gas, welches über die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 in das Gasdruckmessvolumen 22 komprimiert wird, kann über die Drossel 38 und im Gegenstrom durch die Detektor-Hochvakuumpumpe 30 in das Massenspektrometer 32 strömen. Der Druckabfall über die Drossel 38 kann bestimmt werden und ist, wie auch der Druckanstieg, ein Maß für die integrale Undichtigkeit des Prüflings 12. Auch bei dieser Methode ist es über den offenen Zwischengasvakuumanschluss 26 der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 möglich, eine lokalisierenden Lecksuche parallel zur integralen Lecksuche zu betreiben.
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Im Folgenden wird anhand der Druckverlaufskurve in 2 die Druckanstiegsmessung beschrieben. Dabei wird durch Leckagen in den Prüfling 12 gelangendes Gas durch die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 aus dem Prüfling 12 abtransportiert. Aufgrund der Kompressionsunterschiede werden leichte Gase, wie z.B. Helium, dabei hauptsächlich zur Detektor-Hochvakuumpumpe 30 transportiert. Daher wird häufig Helium als Prüfgas verwendet. Die übrige Luft wird hingegen hauptsächlich in das Gasdruckmessvolumen 22 hinter der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 transportiert. Da die Kompression zwischen dem Zwischengasvakuumanschluss 26 der Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 und deren Auslass 19 für Luftkomponenten groß ist, sammelt sich das Gas im Gasdruckmessvolumen 22 und erhöht dort den Druck. Dieser Druckanstieg ist proportional zu der integralen Leckrate des Prüflings 12.
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Da sämtliches einströmendes Gas durch die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 transportiert wird, ist der Druckanstieg im Gasdruckmessvolumen 22 unabhängig vom Volumen des Prüflings 12. Der Druck wird über einen geeigneten Totaldrucksensor oder Gasdichtesensor 24, der an das Gasdruckmessvolumen 22 angeschlossen ist, gemessen.
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Der Druck in dem Gasdruckmessvolumen 22 wird vorzugsweise innerhalb eines Bereichs gehalten, in dem die Prüflings-Hochvakuumpumpe 16 noch gut die Kompression aufrechterhalten kann und eine Rückströmung leichter Gase gering ist. Dies ist typischerweise in einem Druckbereich zwischen 0 mbar und 5 mbar der Fall. Insofern sollte der Druck p1 zwischen 0 mbar und 5 mbar gehalten werden. Steigt der Druck p1 zu stark an, kann das Gas über ein kurzzeitiges Öffnen mindestens eines der Ventile in den mit dem Gasdruckmessvolumen 22 verbundenen Detektorleitungen 18, 36, 40, d. h. des zweiten Ventils V2, des dritten Ventils V3 oder des vierten Ventils V4 oder einer beliebigen Kombination dieser Ventile V2, V3, V4 abtransportiert werden.
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Der Druckanstieg innerhalb des Gasdruckmessvolumens 22 wird innerhalb einer vorgegebenen Zeit t gemessen oder es wird die Zeit zum Erreichen eines bestimmten Druckanstiegs gemessen.
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Zeitgleich zur integralen Leckagemessung über die Druckanstiegsmethode ist auch eine lokalisierende -Lecksuche mittels leichter Gase, wie z.B. Helium oder Wasserstoff, möglich, da über das erste Ventil V1 hauptsächlich leichte Gase zum Gasdetektor 32 transportiert werden. Damit ist es möglich, gleichzeitig einelokalisierende Lecksuche durch Besprühen des Prüflings miteinem leichten Prüfgas und eine integrale Dichtheitsmessung des gesamten Prüflings 12 zuzuführen. Die integrale Leckrate ergibt sich aus dem Volumen VA des Gasdruckmessvolumens 22 und dem Druckanstieg Δp/Δt zu q = VA [I] * Δp[mbar]/t[s].
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Bei geöffnetem erstem Ventil V1, zweitem Ventil V2 und fünftem Ventil V5, während das dritte Ventil V3 und das vierte Ventil V4 geschlossen sind, kann eine direkte Messung der integralen Dichtheit über eine Druckdifferenzmessung erfolgen. Im Gegensatz zu der oben zuvor beschriebenen Druckanstiegsmessung wird dabei das Gasdruckmessvolumen 22 nicht vollständig abgeschlossen. Über die Drossel 38 wird das Gas in Richtung der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 transportiert. Diese Drosselung führt zu einer Druckerhöhung im Gasdruckmessvolumen 22, die über den ersten Drucksensor 24 gemessen wird. Diese Druckerhöhung ist proportional zu der Menge des einströmenden Gases in den Prüfling und damit zur Leckage. Der resultierende Druckhub ist in 3 dargestellt und wird an dieser Stelle als Maß für die Leckage verwendet. Durch kurzes Öffnen des dritten Ventils 3 und/oder des vierten Ventils V4 kann der Enddruck oder Gleichgewichtsdruck der Einheit bestimmt werden. Dann ergibt sich der Fluss aus der Druckdifferenz zwischen dem Gleichgewichtsdruck beim Öffnen des dritten Ventils V3 und dem Druck bei geschlossenem Ventil V3. Entsprechend wie bei dem zuvor beschriebenen Totaldruckmessverfahren ist dabei eine gleichzeitige integrale Lecksuche und eine lokalisierende Helium- bzw. Wasserstoff-Lecksuche möglich.
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Die in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die zweite Variante der Erfindung, bei der das Druckmessvolumen in einem die Vorvakuumpumpe 20 mit der Detektor-Hochvakuumpumpe 30 verbindenden Abschnitt der Detektorleitung 34 vorgesehen ist, und zwar zwischen dem Ventil V5 und der Detektor-Hochvakuumpumpe 30. Dabei kann über ein zyklisches Schließen und Öffnen des Ventils V5 der Druck in dem Druckmessvolumen 22 mit dem Drucksensor 24 gemessen werden, um eine integrale Lecksuche nach der Druckanstiegsmethode auszuführen. Dabei wird bei geschlossenem Ventil V5 der Druckanstieg in dem Druckmessvolumen 22 gemessen. Dieser Druckanstieg ist proportional zur integralen Leckrate des Prüflings 12. Bei gleichzeitig geöffnetem Ventil V1 kann auf den Prüfling 12 gesprühtes Testgas zur lokalisierenden Lecksuche mit dem Gasdetektor nachgewiesen werden, um Lecks im Prüfling 12 zu lokalisieren.
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Alternativ oder ergänzend kann mit dem Gasdetektor 32 ein stetiger Anstieg eines Testgassignals, beispielsweise in Form des in Luft enthaltenden Helium-Anteils, ermittelt werden, falls Luft aus der den Prüfling 12 umgebenden Atmosphäre durch ein Leck in den Prüfling 12 gelangt und von dort dem Gasdetektor 32 zugeführt wird. Auf diese Weise kann ebenfalls eine integrale Lecksuche durchgeführt werden. Ohne Umbau der Vorrichtung kann anschließend unmittelbar eine lokalisierende Suche durch Besprühen des Prüflings 12 mit einem Testgas, wie zum Beispiel Helium, erfolgen.
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Aus der Kombination dieser beiden Möglichkeiten ist ein internes Leck im Prüfling 12, beispielsweise in Form einer geplatzten Stickstoffleitung im Inneren des Prüflings 12, von einem externen Leck zu unterscheiden, das in der äußeren Hülle des Prüflings 12 besteht. Ein internes Leck führt zu einem Druckanstieg, der über den Drucksensor 24 messbar ist, ohne dass das Testgas- (zum Beispiel Helium-) Untergrundsignal im Gasdetektor 32 ansteigt.
