DE19650257A1 - Verfahren und Anordnung zur integralen Dichtheitsprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur integralen Dichtheitsprüfung von Behältern und/oder Gehäusen, wonach ein derartiges Prüfob­ jekt mit einem Testfluid beaufschlagt wird, das gegenüber der Umgebung unter er­ höhtem Druck steht, so daß bei Vorhandensein eines Lecks Fluid aus dem Prüfob­ jekt austritt und hieraus das Leck erkannt wird.

Zur automatisierten Dichtheitsprüfung von industriellen Erzeugnissen wie etwa Kraftstoffbehältern, Verschlüssen, Armaturen, Spraydosen, Motoren, Kühlern, Halb­ leitergehäusen, Sensoren, Pumpen, Steckverbindern, aber auch verpackten Lebens-, Genuß- und Arzneimitteln usw., sind im wesentlichen zwei Gasnachweis- Verfahren zur Dichtheitsprüfung bekannt. Beiden Verfahren gemeinsam ist, daß die Prüfobjekte mit einem Testgas bedrückt und die Umgebung der Prüfobjekte oder der Bereich, zu dem gedichtet werden muß, auf das Testgas hin untersucht wird.

Bei dem ersten Verfahren werden zum Testgas-Nachweis Massenspektrometer und als Testgas meist Helium eingesetzt (Helium-Lecktester). Die in das Massenspek­ trometer eingeleiteten Moleküle werden innerhalb des Spektrometers gezielt ionisiert und in einem elektrischen Feld beschleunigt. Dabei muß im Massenspektrometer ein Hochvakuum (ein Druck von kleiner 10⁻⁴ mbar) herrschen, so daß die beschleunig­ ten Moleküle möglichst nicht mit anderen Molekülen stoßen und ungestört ein elek­ tromagnetisches Massenfilter passieren können. Der Ort, an dem die Moleküle das Massenfilter dann wieder verlassen, hängt daher nur noch von der Molekülmasse ab, wodurch das Testgas (meist Helium) 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 10⁻¹ mbar evakuiert. Bei Erreichen dieses Drucks wird dem Massen­ spektrometer ein Teil des aus der Testkammer abgesaugten Gases zugeführt. Im Massenspektrometer wird dann die Testgaskonzentration - der Testgaspartialdruck - dieser, aus dem abgepumpten Gasstrom entnommenen, Gasprobe bestimmt. Die gemessene Testgaskonzentration ist dann ein direktes Maß für die Leckage am Prüfling.

Ein wesentlicher Nachteil dieses empfindlichen aber teuren Dichtheitsprüfverfahrens sind die langen Prüfzeiten. Es ist in der Regel - schon aus Kostengründen - nicht möglich, Prüfzeiten von weniger als 10 s zu realisieren. Dies hängt unter anderem auch damit zusammen, daß grundsätzlich einige Sekunden vergehen, bis die auf das Testgas hin zu untersuchende Gasprobe in das Massenspektrometer eindiffun­ diert ist und nach der Konzentrationsbestimmung aus dem Massenspektrometer wieder vollständig entfernt worden ist.

Bei dem zweiten Verfahren erfolgt der Testgas-Nachweis optisch. Die in das opti­ sche Dichtheitsprüfsystem eingebrachten Moleküle werden in diesem von einem, auf die Absorptionslinien des verwendeten Testgases spektral abgestimmten Laser be­ leuchtet. Werden dabei auch Testgasmoleküle beleuchtet, so absorbieren diese ei­ nen Teil des eingestrahlten Laserlichtes. Diese Absorption des Laserlichtes wird dann über empfindliche Sensoren registriert. Die Amplitude dieses Sensorsignals ist dann ein direktes Maß für die Testgaskonzentration (siehe hierzu auch: Dipl. Phys. Gerhart Schroff, Dipl. Ing. Michael Stetter, Dichtheitsprüfung mit Laser. Robust und sicher; Kontrolle, S. 44-46, 4/1995). Als Testgas wird meist das Inertgas SF₆ einge­ setzt. Für den Prüfvorgang wird das Prüfobjekt in eine Testkammer eingebracht und mit Testgas bedrückt. Die Testkammer wird dann über eine Vakuumpumpe auf einen Druck kleiner 10 mbar evakuiert. Nach Erreichen dieses Drucks wird etwas Gas aus der Testkammer dem Prüfsystems zugeführt, wo dann die Testgaskonzentration ge­ messen wird. Die gemessene Testgaskonzentration ist dann ein direktes Maß für die Leckage des Prüfobjektes.

Ein wesentlicher Nachteil dieses optischen Dichtheitsprüfverfahrens ist in dem auf­ wendigen, zur Konzentrationsbestimmung des Testgases notwendigen Gas-Hand­ ling zu sehen. Es ist daher mit diesem Prüfverfahren nur schwer möglich, Prüfzeiten von kleiner 10 s zu realisieren.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ei­ ne Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die in­ tegrale Dichtheitsprüfung für praktische Anwendungsfälle schneller und damit preis­ werter unter rauhen Industriebedingungen automatisiert durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1, dem Grundgedanken nach, sowie in Ausführungsvari­ anten und Ausgestaltungen derselben durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 14 und hinsichtlich der Anordnung durch die Merkmale des Anspruchs 15 und in Ausgestaltungen durch die weiteren Unteransprüche 16 bis 33 gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Prüfzeiten prinzipiell genau dann minimiert werden können, wenn die, zur Bestimmung der Leckagen des Prüf­ objektes herangezogenen Testgaskonzentrationen unmittelbar in der das Prüfobjekt enthaltenden Testkammer gemessen werden. Setzt man für den Testgasnachweis noch spezielle optische Gasnachweis-Verfahren, wie etwa Anregungsspektroskopie, photoakustische Spektroskopie, Ionisationsspektroskopie, optogalvanische Spektropie, optothermische Spektroskopie, Absorptionsspektroskopie innerhalb La­ serresonatoren, Magnetische-Resonanz-Spektroskopie, Stark-Spektroskopie, oder Geschwindigkeits-Modulations-Spektroskopie (siehe hierzu auch: Wolfgang Dem­ tröder; Laserspektroskopie, Grundlagen und Techniken, Dritte Auflage, Springer Verlag, 1993, Kapitel 6) ein, so ist es möglich Dichtheitsprüfungen sehr schnell und mit einfachen Mitteln zu realisieren. Alle diese optischen Gasnachweisverfahren zeichnen sich dadurch aus, daß sie einen auf das verwendete Testgas spektral ab­ gestimmten Laser zur Beleuchtung des auf das Testgas hin zu untersuchenden Volumens - des Untersuchungsvolumens - verwenden. Die Wechselwirkung dieser, das Untersuchungsvolumen beleuchtenden elektromagnetischen Wellen mit dem Testgas wird dann, abgestimmt auf das jeweils zugrundeliegende physikalische Meßprinzip, mittels geeignet gewählter Sensoren registriert und unter Berücksichti­ gung der optischen Eigenschaften der verwendeten Laser über eine Auswerteeinheit ausgewertet und somit die Testgaskonzentration im Untersuchungsvolumen ermit­ telt. Da beispielsweise bei der photoakustischen Spektroskopie diese Wechselwir­ kung anhand von Druckschwankungen analysiert wird, kommen hier hochempfindli­ che Drucksensoren zum Einsatz. Bei der Ionisationsspektroskopie werden als Sen­ soren empfindliche Ionendetektoren eingesetzt.

Um mit diesen optischen Gasnachweisverfahren sichere Aussagen über die Größe der Leckagen am Prüfobjekt machen zu können, ist es wichtig, definierte, vom Ort der Leckagen unabhängige, Konzentrationsverhältnisse innerhalb der Testkammer sicherzustellen. Dies kann beispielsweise durch ein hinreichend tiefes Evakuieren (Absolutdruck kleiner einige mbar) und/oder ein hinreichend intensives Verwirbeln der in der Testkammer befindlichen Umgebungsatmosphäre mittels Gebläsen oder Ventilatoren erreicht werden.

Hiernach wird - gemäß der Erfindung - zur integralen Dichtheitsprüfung das Prüfobjekt in eine evakuierbare Testkammer eingebracht und mit einem von der Umgebungs­ atmosphäre unterscheidbaren Testgas befüllt und mit Druck beaufschlagt, der ge­ genüber dem in der Testkammer eingestellten Druck erhöht ist. Der Testkammer­ druck und/oder die Verwirbelung der in der Testkammer befindlichen Umgebungs­ atmosphäre wird dabei so gewählt, daß das aus etwaigen Leckagen am Prüfobjekt austretende Testgas sich schnell in der Testkammer ausbreiten kann, so daß eine definierte, vom Ort der Leckagen unabhängige Testgaskonzentrationsverteilung, beispielsweise eine gleichmäßige Verteilung, entsteht, so daß dann die Testgaskon­ zentrationen direkt in der Testkammer mittels optischer Gasnachweisverfahren er­ mittelt werden und aus den so gemessenen Testgaskonzentrationen sicher auf die Größe der Leckagen geschlossen werden kann.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die integrale Dichtheitsprüfung sehr schnell und mit einem geringen apparativen Aufwand durchgeführt werden kann. Damit eine Konzentrationsbestimmung des Testgases innerhalb der, das Prüfobjekt enthalten­ den Testkammer durchgeführt werden kann, ist es im einfachsten Fall schon ausrei­ chend, für das jeweils verwendete optische Gasnachweisverfahren hinreichend transparente Fenster an der Testkammer anzubringen. Alle sonst üblichen, für die Probeentnahme notwendigen Ventile, Pumpen und die dazugehörige Steuerlogik entfallen ganz.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Testgaskonzentration in der Testkammer bei einem möglichst hohen, auf die zu messenden/erwarteten Leckagen abgestimmten Testkammerdruck optisch bestimmt. Dies geschieht einer­ seits aus der Erkenntnis heraus, daß mit zunehmendem Druck die einzelnen Ab­ sorptionslinien der Testgasmoleküle über die hierbei auftretende Druckverbreiterung breiter werden und zunehmend einander überlappen können und hierdurch ein im­ mer homogeneres, breitbandigeres Absorptionsverhalten zeigen und somit an die bei den optischen Gasnachweisverfahren verwendeten Lichtquellen - vorzugsweise Laser - mit zunehmendem Testkammerdruck wesentlich geringere Anforderungen im Hinblick auf die Stabilität des von diesen emittierten Frequenzspektrums gestellt werden müssen. Erhöht man andererseits den Druck innerhalb der Testkammer vor der optischen Konzentrationsbestimmung zu weit, so nimmt die Empfindlichkeit opti­ scher Gasnachweisverfahren aufgrund einer zu starken Druckverbreiterung stark ab (siehe hierzu auch: Measurement of 10,6 µm CO₂ laser transition probability and op­ tical broadening cross section; Edward T. Gerry et. al., Appl. Phys. Lett., Vol. 8, No. 9., 227-229, 1966), was bei hohen Testgaskonzentrationen (großen Leckagen) von Vorteil ist, bei niedrigen Testgaskonzentrationen einen geringeren Testkammerdruck erzwingt. Die oben aufgeführten optischen Gasnachweisverfahren können daher in einem Druckbereich von ca. 1 mbar bis ca. 1000 mbar Absolutdruck sehr effektiv eingesetzt werden. Dies bringt den für die industrielle optische Dichtheitsprüfung entscheidenden Vorteil mit sich, daß sehr einfache, standardisiert erhältliche und nur mäßig in ihrem Emissionsspektrum stabile Lichtquellen eingesetzt werden kön­ nen und somit preiswerte und vor allem robuste Dichtheitsprüfsysteme erstellt wer­ den können. Die Abstimmung von Testkammerdruck auf die zu messenden Lecka­ gen führt weiter zu einer deutlich erhöhten Dynamik bei der Konzentrationsbestim­ mung und ermöglicht daher einen sehr flexiblen Einsatz.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, als Untersuchungs­ volumen für die Bestimmung der Testgaskonzentration nur ein kleines Teilvolumen der Testkammer, vorzugsweise mit einem Volumen kleiner einigen Kubikzentime­ tern, innerhalb der Testkammer zu verwenden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erhöhung der Testgas­ konzentration innerhalb des Untersuchungsvolumens die Testkammer derart gestal­ tet, daß durch eine Erhöhung des Testkammerdrucks die Anzahl der Testgasmole­ küle pro Volumen innerhalb des Untersuchungsvolumens ansteigt. Dies kann bei­ spielsweise dadurch geschehen, daß an einer Stelle an der Testkammerwand eine Vertiefung - vorzugsweise zylindrisch mit einem Durchmesser von ca. 1 cm und einer Länge von ca. 8 cm - angebracht wird. Der Ablauf ist dabei beispielsweise der fol­ gende: Das Prüfobjekt wird in die Testkammer eingebracht, evakuiert und für eine definierte Zeit mit Testgas bedrückt. Parallel zum Evakuieren des Prüfobjekts wird die Testkammer auf einen Druck von ca. 1 mbar evakuiert. Aufgrund dieses gerin­ gen Testkammerdrucks kann sich nun das aus etwaigen Lecks aus dem Prüfobjekt austretende Testgas schnell - im einfachsten Fall gleichmäßig - in der Testkammer verteilen, so daß dann eine definierte Testgaskonzentrationsverteilung in der Testkammer vorliegt. Läßt man nun testgasfreie Umgebungsluft in die Testkammer einströmen, so steigt der Druck innerhalb der Testkammer an. Je schneller der Druckanstieg erfolgt desto weniger wird sich die einströmende Umgebungsluft mit den in der Testkammer befindlichen Molekülen vermischen. Dies führt dann mit zu­ nehmendem Testkammerdruck zu einer Anreicherung der Testgasmoleküle in dieser Vertiefung. Wählt man diese Vertiefung dann als Untersuchungsvolumen, so ist die dort gemessene Testgaskonzentration bei einer vorangegangenen Druckerhöhung von 1 mbar auf 1000 mbar im idealen Fall ca. eintausend mal höher als vor einer solchen Druckerhöhung. Eine Konzentrationserhöhung um einen Faktor 20-100 im Untersuchungsvolumen ist in der Praxis einfach und reproduzierbar erreichbar.

Besonders vorteilhaft kann der optische Testgasnachweis in der Testkammer photo­ akustisch durchgeführt werden (siehe hierzu: L.B. Kreutzer: Laser optoacustic spectroscopy. A new technic of gas analysis. Anal. Chem. 46, 239A, 1974). Hierbei wird das in dem Untersuchungsvolumen befindliche Gas von einem, auf die Absorp­ tionslinien des verwendeten Testgases spektral abgestimmten, vorteilhafterweise periodisch gepulsten Laser beleuchtet. Befindet sich nun auch Testgas in dem von dem Laser beleuchteten Untersuchungsvolumen, so absorbiert dieses einen Teil des eingestrahlten Laserlichts. Diese Absorption des Laserlichts führt dann zu über den photoakustischen Effekt erzeugten Druckschwankungen, welche über einen in der Testkammer nahe dem Untersuchungsvolumen angebrachten hochempfindlichen Drucksensor - vorzugsweise einem empfindlichen Mikrophon - registriert werden. Die Amplituden dieser so erzeugten periodischen Druckschwankungen sind dann ein di­ rektes Maß für die im Untersuchungsvolumen vorliegende Testgaskonzentration.

Vorteilhafterweise wird der photoakustische Gasnachweis, wie in der Deutschen Pa­ tentanmeldung Aktenzeichen 196 00 443.8 (Stetter/Schroff, 9.01.1996) beschrieben, realisiert.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, in mehreren Testkammern gleichzeitig und/oder zeitlich versetzt Prüfobjekte auf Dichtheit zu prüfen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß nach dem sogenannten "Pipeline"-Prinzip verfahren wird. D.h., da für Dichtheitsprüfungen in der Regel im­ mer mehrere Schritte erforderlich sind, wie z. B.: 1. Schritt: Einlegen des jeweiligen Prüfobjektes in die jeweilige Testkammer; 2. Schritt: Anschließen des Prüfobjektes und Schließen der Testkammer; 3. Schritt: Beaufschlagen des Prüfobjektes mit Test­ gas; 4. Schritt: Evakuieren der Testkammer; usw., verfährt man bei diesem Prinzip so, daß man entsprechend der Anzahl der Einzelschritte des Gesamtvorganges die Anzahl der Testkammern festlegt. Also beispielsweise bei einem Prüfvorgang mit sechs einzelnen Schritten, ergibt dieses minimal sechs Testkammern. Diese Test­ kammern kann man nun im einfachsten Fall auf einem runden Prüfrad vorzugsweise symmetrisch (d. h. bei sechs Testkammern alle 60° eine Testkammer) anordnen und so den einzelnen räumlichen Positionen der Testkammern die einzelnen Prüfschritte zuordnen. Die einzelnen Testkammern werden nun an den verschiedenen Positio­ nen den unterschiedlichen Prüfschritten entsprechend betrieben. D.h., an Position 1 erfolgt das Einlegen des Prüfobjektes, an Position 2 erfolgt das Anschließen des Prüfobjektes und das Schließen der Testkammer, an Position 3 erfolgt das Beauf­ schlagen des Prüfobjektes mit Testgas, an Position 4 erfolgt die Evakuierung der Testkammer, usw. . Das Prüfrad mit den Testkammern ist dabei drehbar angeordnet, so daß die einzelnen Testkammern nacheinander in die einzelnen Positionen ge­ schwenkt werden können und somit die den jeweiligen Positionen zugeordneten Schritte durchlaufen. Es werden also nacheinander, um jeweils eine Position zeitlich versetzt, die in den jeweiligen Testkammern befindlichen Prüfobjekte die einzelnen Schritte durchlaufen, was einen sehr effektiven Prüfablauf ermöglicht.

Oft ist es allerdings schon ausreichend, mehrere Testkammern parallel anzuordnen und zu betreiben. Es entfällt dann das Prüfrad und die dazugehörige Ventil- und Ansteuermimik.

Besonders vorteilhaft ist es, zur Beleuchtung der Untersuchungsvolumina der ein­ zelnen Testkammern nur eine einzige Lichtquelle einzusetzen. Dies kann beispiels­ weise durch Aufspaltung des von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls mittels Strahlteilern erfolgen, wenn beispielsweise eine gleichzeitige Beleuchtung der ver­ schiedenen Untersuchungsvolumina erforderlich ist, oder über Strahlablenkungsein­ heiten - vorzugsweise über rotierende Polygonprismen oder schwenkbare Spiegel­ geschehen, wenn eine zeitlich versetzte Beleuchtung der einzelnen Untersuchungs­ volumina ausreichend ist. Im Falle des oben beschriebenen Prüfrades könnte die Lichtquelle beispielsweise so eine bestimmte Position beleuchten, daß durch Dre­ hen des Prüfrades jeweils eine Testkammer - und damit das entsprechende Untersu­ chungsvolumen - in den Lichtstrahl hineinbewegt wird und hierdurch dann keine spezielle Strahlablenkung erforderlich wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, als Testgas die Gase SF₆, C₂H₄, CO₂ oder auch N₂O, sowie Gemische dieser Gase und/oder Gemische dieser Gase mit Luft oder Stickstoff einzusetzen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Dichtheitsprüfsystems zur integralen Dichtheitsprüfung,

Fig. 2 ein gegenüber Fig. 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines optischen Dichtheitsprüfsystems mit optischer Datenübertragung und räumlich abge­ grenztem Untersuchungsvolumen.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zeigt beispielhaft den prinzipiellen Aufbau eines optischen Dichtheitsprüfsystems. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ergänzt die in Fig. i dargestellte Anordnung im wesentlichen im Hinblick auf die mechanische Ab­ kopplung der aufwendigen und damit teuren Komponenten von der das Prüfobjekt aufnehmenden Testkammer.

Das mit einem unter Druck stehenden Testgas über Anschluß 37 beaufschlagbare Prüfobjekt 1 wird zur Aufnahme von im Leckfalle aus dem Prüfobjekt 1 austreten­ den Testgas in eine Testkammer 2 verbracht. Die Testkammer 2 ist mit einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß versehen. Auf der Einlaßseite der Testkammer 2 ist ein eingangsseitig mit testgasfreier Umgebungsluft oder testgasfreiem Spülgas beaufschlagtes Einlaßventil 35 angeordnet. An der Auslaßseite der Testkammer 2 ist eine Vakuumpumpe 34 und ein zwischen Vakuumpumpe 34 und Testkam­ mer 2 angeordnetes Absperrventil 33 angebracht. Mittels der Vakuumpumpe 34 und dem Absperrventil 33 kann der Druck in der Testkammer 2 soweit abgesenkt werden, daß das aus etwaigen Leckagen am Prüfobjekt 1 austretende Testgas sich schnell in der Testkammer 2 so ausbreiten kann, daß sich eine definierte, vom Ort der Leckagen unabhängige Testgaskonzentrationsverteilung innerhalb der Test­ kammer 2 einstellen kann. Mittels dem Einlaßventil 35 kann der Testkammer­ druck beispielsweise vor einer Testgaskonzentrationsbestimmung oder zur Belüf­ tung der Testkammer 2 definiert erhöht werden. Der von einer, vorzugsweise als Laser ausgebildeten, Lichtquelle 3 erzeugte Laserstrahl 5 beleuchtet das inner­ halb der Testkammer 2 angeordnete Untersuchungsvolumen 4. Der Laserstrahl 5 tritt durch das Einkoppelfenster 7 in die Testkammer 2 ein, durchsetzt das Untersuchungsvolumen 4, tritt über das Auskoppelfenster 8 aus der Testkammer 2 wieder aus und wird über die Strahlfalle 9 definiert abgeblockt, d. h. vernichtet. Innerhalb der Testkammer 2 und in der Nähe des Untersuchungsvolumens 4 sind die zur Detektion der Wechselwirkung des das Untersuchungsvolumen 4 durchset­ zenden Laserstrahls 5 mit dem Testgas herangezogenen Sensoren 6 angebracht. Die Zentraleinheit 10 dient dazu, den Betriebszustand von Laser 3 einzustellen und zu kontrollieren.

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung werden die elektrischen Sensorausgangs­ signale 6' der Sensoren 6 von der Zentraleinheit 10 direkt zur Bestimmung der Testgaskonzentration ausgewertet und es wird unter Berücksichtigung des einge­ stellten Laserbetriebszustandes auf die am Prüfobjekt 1 vorliegenden Leckagen geschlossen. Diese Ergebnisse werden dem Anwender von der Zentraleinheit 10 dann in einer geeigneten Darstellung zur Verfügung gestellt.

In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung werden die elektrischen Sensorausgangssi­ gnale 6' von einer Signalaufbereitungseinheit 11 verstärkt und/oder digitalisiert und/oder zur Bestimmung der Testgaskonzentration ausgewertet. Mittels einer Sende/Empfängseinheit 11' kann die Signalaufbereitungseinheit 11 Daten draht­ los, bidirektional mit der Zentraleinheit 10 mittels einer mit der Zentraleinheit 10 verbundenen Sende/Empfangseinheit 10' austauschen. Der Datenaustausch zwi­ schen Signalaufbereitungseinheit 11 und der Zentraleinheit 10 kann beispiels­ weise über eine optische IR-Datenübertragung nach dem IrDA-Standard erfolgen. Hierdurch wird es möglich, die in der Regel aufwendigen Komponenten - den Laser 3 und die Zentraleinheit 10 - mechanisch vollkommen von dem restlichen Prüfauf­ bau zu trennen und dennoch der Zentraleinheit 10 in geeigneter Form die Sensor­ ausgangssignale 6' zur Auswertung im Hinblick auf die Testgaskonzentration be­ reitzustellen sowie weitere zum Betrieb der Sensoren 6 notwendigen Daten zwi­ schen der Zentraleinheit 10 und der Signalaufbereitungseinheit 11 auszutau­ schen.

Zur gleichzeitigen und/oder zeitlich versetzten Dichtheitsprüfung von Prüfobjekten 1 ist es somit ausreichend, den Laser 3 und die Zentraleinheit 10 zusammen mit der Sende/Empfangseinheit 10' nur einfach aufzubauen, während der übrige Teil der in Fig. 2 dargestellten Prüfeinrichtung mehrfach, entsprechend der geforderten Anzahl der Testkammern 2, aufgebaut wird.

Ein Teilbereich - der Untersuchungsbereich - 31 der Testkammer 2 ist so ausge­ führt, daß das Untersuchungsvolumen 4 beispielsweise in Form einer an den En­ den durch das Einkoppelfenster 7 und das Auskoppelfenster 8 verschlossenen Röhre vom restlichen Teil der Testkammer 2 zum Zwecke der Testgasanreiche­ rung bis auf Durchgang 30 abgegrenzt wird. Der Untersuchungsbereich 31 ist mit einem Gaseinlaß 36 versehen. Auf der Einlaßseite des Untersuchungsbereichs 31 ist ein eingangsseitig mit testgasfreier Umgebungsluft oder testgasfreiem Spül­ gas beaufschlagtes Einlaßventil 32 zum Spülen des Untersuchungsbereichs 31 angeordnet.

Claims (33)

1. Verfahren zur integralen Dichtheitsprüfung von Behältern und/oder Gehäusen wonach ein derartiges Prüfobjekt in eine Testkammer eingebracht wird, mit ei­ nem von der Umgebungsatmosphäre unterscheidbaren Testgas mit Druck be­ aufschlagt wird, welcher gegenüber dem in der Testkammer eingestellten Druck erhöht ist und der Testkammerdruck und/oder die Verwirbelung der in der Test­ kammer befindlichen Umgebungsatmosphäre dabei so gewählt wird, daß das aus etwaigen Leckagen am Prüfobjekt austretende Testgas sich schnell in der Testkammer so ausbreiten kann, daß sich eine definierte, vom Ort der Leckagen unabhängige Testgaskonzentrationsverteilung einstellen kann, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die so in der Testkammer erzeugten Testgaskonzentrationen direkt in der Testkammer mittels optischer Gasnachweisverfahren bestimmt wer­ den und aus den ermittelten Testgaskonzentrationen auf die Größe der Lecka­ gen geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Testgaskonzentrationen in der Testkammer der Testkammerdruck vor der Konzentrationsbestimmung auf die zu messenden - vorzugsweise auf die erwar­ teten - Testgaskonzentrationen abgestimmt wird und/oder eingeregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Test­ kammerdruck vor der Testgaskonzentrationsbestimmung auf einen Wert zwi­ schen 1 mbar und ca. 1000 mbar Absolutdruck gebracht und/oder eingeregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konzentrationsbestimmung des Testgases als Untersuchungsvolumen nur ein Teilvolumen innerhalb der Testkammer herangezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Testkammer derart gestaltet ist, daß durch eine Erhöhung des Testkammer­ drucks die Anzahl der Testgasmoleküle pro Volumen innerhalb des Untersu­ chungsvolumens zunimmt und damit die Testgaskonzentration innerhalb des Untersuchungsvolumens erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Testgaskonzentrationsbestimmung mittels der Anregungsspektroskopie oder der Ionisationsspektroskopie oder der optogalvanischen Spektroskopie oder der optothermischen Spektroskopie oder der Absorptionsspektroskopie innerhalb Laserresonatoren oder der Magnetischen-Resonanz-Spektroskopie oder der Stark-Spektroskopie, oder der Geschwindigkeits-Modulations-Spektroskopie er­ folgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren der optischen Gasnachweisverfahren, welche die Wechselwirkung der in das Unter­ suchungsvolumen eingestrahlten elektromagnetischen Wellen mit dem Testgas registrieren, innerhalb der Testkammer und/oder nahe dem Untersuchungsvo­ lumen angebracht sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Testgaskonzentrationsbestimmung mittels der photoakustischen Spektro­ skopie erfolgt und als Sensor hierzu ein hochempfindlicher Drucksensor -vor­ zugsweise ein empfindliches Mikrophon- innerhalb der Testkammer und/oder nahe dem Untersuchungsvolumen zur Detektion der photoakustisch erzeugten Druckschwankungen angebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Testgaskonzen­ trationsbestimmung nach dem in der Deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen 196 00 443.8 (Stetter/Schroff, 9.01.1996) beschriebenen photoakustischen Ver­ fahren erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren Testkammern gleichzeitig und/oder zeitlich versetzt die sich über die Leckagen der einzelnen in den jeweiligen Testkammern befindlichen Prüfobjekte einstellenden Testgaskonzentrationen ermittelt werden und hieraus die Lecka­ gen der einzelnen Prüfobjekte ermittelt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer ein­ zigen Lichtquelle - vorzugsweise eines Lasers - mehrere - vorzugsweise alle - Un­ tersuchungsvolumina in den eingesetzten Testkammern gleichzeitig und/oder zeitlich versetzt beleuchtet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in den einzelnen Testkammern stattfindende Wechselwirkung der ein­ gestrahlten elektromagnetischen Wellen mit dem aus Leckagen der in den je­ weiligen Testkammern befindlichen Prüfobjekten ausgetretenen Testgas mittels nur eines außerhalb der Testkammern angebrachten Sensors gleichzeitig und/oder zeitlich versetzt registriert und/oder analysiert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Testgas SF₆ und/oder C₂H₄ und/oder CO₂ und/oder N₂O verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Testgas ein Gemisch aus Luft oder Stickstoff mit SF₆ und/oder C₂H₄ und/oder CO₂ und/oder N₂O verwendet wird.

15. Anordnung zur Dichtheitsprüfung von Behältern, Gehäusen und dergleichen Prüfobjekten (1), die mit einem unter Druck stehenden Testgas beaufschlagbar sind, mit einer das Prüfobjekt (1) enthaltenden Testkammer (2) zur Aufnahme von im Leckfalle aus dem Prüfobjekt (1) austretenden Testgas, mit einem Laser (3) zur Erzeugung eines, das innerhalb der Testkammer befindliche Untersu­ chungsvolumen (4) durchsetzenden Laserstrahls (5), mit einem oder mehreren geeignet angeordneten Sensoren (6) zur Messung der Wechselwirkung der in das Untersuchungsvolumen (4) eingestrahlten Laserstrahlung mit dem im Leck­ falle aus dem Prüfobjekt (1) ausgetretenen Testgas.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (3) und/oder der zur Messung der Wechselwirkung der eingestrahlten Laserstrah­ lung mit dem Testgas eingesetzte Sensor (6) innerhalb der Testkammer (2) an­ gebracht ist.

17. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der La­ ser (3) außerhalb der Testkammer (2) angeordnet ist und der von dem Laser (3) erzeugte Laserstrahl (5) über ein Einkoppelfenster (7) in die Testkammer (2) eintritt.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Laser (3) erzeugte Laserstrahl (5) nach Durchsetzen des Un­ tersuchungsvolumens (4) über ein Auskoppelfenster (8) die Testkammer (2) verlassen kann und/oder in einer Strahlfalle (9) vernichtet wird.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet durch eine Zentraleinheit (10) zur Einstellung eines definierten Laserbetriebszustandes und/oder zur Auswertung der von dem oder den Sensoren (6) gelieferten elektri­ schen Sensorausgangssignalen (6') zur Messung der im Leckfalle sich in der Testkammer (2) einstellenden Testgaskonzentration.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Sensorausgangssignale (6') mittels einer Signalaufberei­ tungseinheit (11) verstärkt und/oder digitalisiert und/oder zur Bestimmung der Testgaskonzentration analysiert werden.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbe­ reitungseinheit (11) Daten mittels einer Sende/Empfangseinheit (11') drahtlos mit der Zentraleinheit (10) über eine mit der Zentraleinheit (10) verbundene Sende/Empfangseinheit (10') austauscht.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentraleinheit (10) Daten über eine optische Datenübertragung -vor­ zugsweise über eine IR-Datenübertragung nach dem IrDA-Standard- an die Si­ gnalaufbereitungseinheit (11) übermittelt und/oder Daten von der Signalaufbe­ reitungseinheit (11) zur Bestimmung der Leckagen am Prüfobjekt (1) empfängt.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilbereich - der Untersuchungsbereich - (31) der Testkammer (2) so ausgeführt ist, daß das Untersuchungsvolumen (4) - vorzugsweise in Form einer an den Enden mittels Einkoppelfenster (7) und Auskoppelfenster (8) verschlos­ senen zylindrischen Röhre - umschlossen wird und über einen Durchgang (30) - vorzugsweise in Form einer Durchgangsbohrung - dieser Untersuchungsbereich (31) mit dem restlichen Teil der Testkammer (2) verbunden ist.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Untersu­ chungsbereich (31) mit einem Gaseinlaß (36) versehen ist und ein mit testgas­ freier Umgebungsluft oder testgasfreiem Spülgas beaufschlagtes Einlaßventil (32) ausgangsseitig mit dem Gaseinlaß (36) verbunden ist.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet daß die Testkammer (2) mit einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß versehen ist, ein auf der Einlaßseite der Testkammer (2) angeordnetes, eingangsseitig mit testgasfreier Umgebungsluft oder testgasfreiem Spülgas beaufschlagtes Einlaß­ ventil (35), eine auf der Auslaßseite der Testkammer (2) angeordnete Vakuum­ pumpe (34) und ein zwischen Vakuumpumpe (34) und Testkammer (2) angeord­ netes Absperrventil (33) aufweist.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der den Untersuchungsbereich (31) mit dem restlichen Teil der Testkammer (2) verbindende Durchgang (30) so gestaltet ist, daß der Untersuchungsbereich (31) - vorzugsweise über O-Ringe gedichtet - einfach lösbar - vorzugsweise an- und abschraubbar - mit dem restlichen Teil der Testkammer (2) verbunden ist.

27. Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (3) und/oder der zur Messung der Wechselwirkung der einge­ strahlten Laserstrahlung mit dem Testgas eingesetzte Sensor (6) innerhalb des Untersuchungsbereichs (31) der Testkammer (2) angebracht ist.

28. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen und/oder zeitlich versetzten Dichtheitsprüfung von mehre­ ren Prüfobjekten (1) die Testkammer (2) mehrfach aufgebaut und angeordnet ist.

29. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Laser (3) erzeugte Laserstrahl (5) - vorzugsweise über Strahlteiler und/oder Strahlablenkeinrichtungen - in mehrere Laserstrahlen zur gleichzeitigen und/oder zeitlich versetzten Beleuchtung der einzelnen Testkammern (2) aufgespalten und/oder abgelenkt wird.

30. Anordnung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß der den Untersuchungsbereich (31) mit dem restlichen Teil der Testkammer (2) verbin­ dende Durchgang (30) elastisch - vorzugsweise in Form einer elastischen Fal­ tenbalgverbindung - zur Unterdrückung von mechanischen Schwingungen oder Vibrationen innerhalb des Untersuchungsbereichs (31) realisiert ist.

31. Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (30) als elastische Schlauchverbindung realisiert ist.

32. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absperrventil zur Absperrung der elastischen Schlauchverbindung angebracht ist.

33. Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Testkammern (2) zur zeitlich versetzten Dichtheitsprüfung der Prüfobjekte (1) kreisförmig auf einem drehbar angeordneten Prüfrad angeordnet sind und daß der Laserstrahl (5) zur Beleuchtung des Untersuchungsvolumens (4) von mindestens einer der Testkammern (2) herangezogen wird.