DE2926112A1

DE2926112A1 - Testleck-sonde

Info

Publication number: DE2926112A1
Application number: DE19792926112
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Phys Dr Kuhn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-06-28
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1981-01-08

Description

Testleck-Sonde
Stand der Technik Die "Dichtheit" eines Bauteils oder einer Apparatur hängt davon ab, welchem Zweck es dienen und welche Undichtheit noch zulässig sein soll. Absolute Dichtheit gibt es nicht. Ein Bauteil gilt als technisch dicht, wenn die Undichtheit unter einem für das Teil festgelegten Grenzwert bleibt. Als Maß für die Undichtheit wird im allgemeinen der Begriff t'Leckrate" verwendet; das ist der Leckstrom durch das Leck unter den gegebenen Druckbedingungen beiderseits des Lecks. Die übliche Einheit für Leckrate bzw. Leckstrom ist mbar.l.s -1 Geräte zur lokalen Lecksuche werden Lecksucher genannt.
Bei einem Lecksuchmassenspektrometer wird ein durch die auf zufindenden und nachzuweisenden Undichtheiten eindringendes Testgas, meist Helium, mit einem Massenspektrometer selektiv und der einströmenden Menge proportional angezeigt, womit auch eine quantitative Bestimmung der Leckrate möglich ist.
Bekannte Testlecks werden allgemein zur Einstellung und Kalibrierung derartiger Lecksuchgeräte auf eine definierte Empfindlichkeit benutzt. Man unterscheidet hierbei Testlecks mit Helium-Vorrat und solche ohne Gas vorrat.
Zum Kalibrieren von Helium-LecZsuchgeräten ist ein Kalibrierleck erhältlich, welches eine Leckrate von einigen 10 8 mbar.l.s aufweist. Der Leckstrom beruht dabei auf einer Helium-Diffusion durch porösen Quarz aus einem Heliumreservoir, der bei dieser Ausführung in dem Testleck integriert ist.
Weiterhin ist ein Testleck ohne Gasvorrat als sogenanntes "Kapillarleck bekannt. Bei diesem Typ wird die Strömung durch eine entsprechend dimensionierte feine Kapillare ausgenützt. Die untere Grenze der Leckrate für Helium liegt für derartige Testlecks zwischen 10 5 und 10-6 mbar.l.s 1.
Die zuvor genannten Test lecks eignen sich insbesondere zur Einstellung und Kalibrierung von Helium-Lecksuchgeräten, die im allgemeinen in einer sauberen Umgebung betrieben werden. Ungeeignet sind derartige Testlecks jedoch für andere Anwendungszwecke, insbesondere bei Verwendung als Grenzmuster (Masterpiece) in der Serienprüfung von Teilen, wo keine hohen Anforderungen an die Reinlichkeit gestellt werden können. Im praktischen Betrieb ist insbesondere das Kapillarleck im unteren Bereich nicht anwendbar, weil die dafür notwendige sehr feine Kapillare (d C 5 /um) leicht durch Staubpartikel oder Flüssigkeitskondensation verstopfen kann, so daß die Werte nicht reproduzierbar sind.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß unter Ausnutzungen eines völlig andersartigen physikalischen Prinzips (Permeation) ein Testleck geschaffen wurde, welches sich zur vielseitigen Verwendung sowohl im Laborbetrieb als auch in der Serienprüfung eignet.
Neben der herkömmlichen Verwendung als Testleck zur Einstellung und Kalibrierung von Lecksuchgeräten, insbesondere bei Helium-Lecksuchgeräten, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders zur Kontrolle der Empfindlichkeit und zur Einstellung der Grenzmarke einer industriellen Dichtheitsprüfanlage nach dem Helium-Massenspektrometerverfahren insbesondere für Leckraten im Bereich von 10 5 bis 10 7 mbar.l.s 1.
Das erfindungsgemäße Testleck ist weiterhin als Meßsonde zur Bestimmung des Helium-Partialdruckes in Gasgemischen bei mittleren und höheren Gesamtgasdrucken (bis ca. 10 bar) einsetzbar.
Die Erfindung sieht u. a. vor, daß als gasdurchlässiger Festkörper eine Membran aus Kunststoff (Kunststoffolie), Gummi oder gummiähnlichen Material Verwendung findet. Diese Materialien haben den Vorteil, daß sie als außerordentlich dünne Folien zur Verfügung stehen. Dies ist erforderlich, um die Meßzeit insbesondere bei einer Takt straße kleinzuhalten. Zur Erreichung kurzer Einstellzeiten (t 10 s für Signalhöhe > 90%) haben sich die in der nachfolgenden Beschreibung näher angegebenen Kunststoffolien mit einer Dicke zwischen 25 und 125 /um als geeignet erwiesen.
Als weiterer Vorteil-der Erfindung ist anzusehen, daß eine handelsübliche dünne Kunststoffolie als Festkörper-Membran sehr leicht in ein einfach aufgebautes Gehäuse integrierbar ist. Eine derart aufgebaute Meßsonde kann dann für verschiedene Meßzwecke eingesetzt werden, wobei bei der Verwendung bei höheren Drücken (bis zu 10 bar) ein Stützkörper aus Drahtgewebe oder Sintermetall vorgesehen ist.
Durch die in den Unteransprüchen weiterhin aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 den Aufbau des Testlecks (Kalibrierlecks) als Explosionszeichnung in vergrößertem Maßstab, Fig. 2 eine Anordnung zur Prüfung einer Helium-Dichtheitsprüfanlage (schematisch), und Fig. 3 eine Anordnung zum Messen des Helium-Partialdrucks in einem Gasgemisch.
Beschreibung der Erfindung Bei vorliegender Erfindung erfolgt der Durchgang des Testgases (Helium) durch einen Festkörper. Dieser Festkörper ist im vorliegenden Fall eine Membran aus Kunststoff (Kunststoffolie). Als Material eignen sich jedoch auch andere dünne Materialien wie z.B. Gummi. Im Gegensatz zu einer Strömung durch vorhandene Poren (siehe Stand der Techik) vollzieht sich der Durchgang des Testgases durch die Membran (im weiteren Kunststoffolie genannt) in drei Schritten: 1. Lösung des Gases in der Probe, 2. Diffusion des gelösten Gases durch die Probe und 3. Verdampfung des Gases aus der Probe.
Dieser als "Permeation" bekannte Vorgang wird auch als Lösungsdiffusion bezeichnet. Die Berechnung derartiger Vorgänge erfolgt nach dem Henry t schen Löslichkeitsgesetz sowie nach dem Fick'schen Gesetz.
Bei Dichtigkeitsmessungen wird allgemein als Testgas Helium verwendet. Als Meßsonde sieht die Erfindung die Verwendung von spezifisch Helium-durchlässigen Kunststoffolien vor, deren Helium-Durchlässigkeit ca. 50 bis 100 mal größer ist als die Luftdurchlässigkeit. Durch die geringe Dicke ( - 125 /um) der Kunststoffolien und durch angepaßte Querschnittsflächen lassen sich Testlecks (Kalibrierlecks) mit kurzer Einstellzeit in dem gewünschten Meßbereich herstellen. Für kurze Einstellzeiten (Meßzeiten) von = 10 s bei einer Signalhöhe 90 % haben sich folgende Kunststoffolien mit den angegebenen Dicken d als geeignet erwiesen: Polysulfon: d f 50 /um, Polytrifluorchloräthylen (Teflon(R)-FET): d - 125 /um, Polypropylen: d # 25 /um.
Bei Zulassung von längeren Einstellzeiten können jedoch bei den genannten Folienarten auch größere Dicken gewählt werden. Weitere geeignete Kunststoffolien wären: Polyimid, Poly-Äthandiolterephthalat (Hostaphan (R))-Folien).
Die Größe des Heliumstromes durch eine Folie unter vorgegebenen Prüfbedingungen ist proportional des stoffspezifischen Permeationskoeffizienten, der effektiven Querschnittsfläche der Folie, der Druckdifferenz des Helium-Partialdruckes sowie umgekehrt proportional der Dicke der Folie. Bei einem Helium-Prüfdruck von 1 bar erreicht man z.B. mit einer 125 /um dicken Teflon (R)-FEP- oder mit einer 50 /um dicken Polysulfonfolie bei einer effektiven Fläche von 7 mm2 eine Leckrate im Bereich um 10 6 mbar.l.s Mit einer geeignet dimensionierten Folie läßt sich eine Sonde gemäß Fig. 1 herstellen: Die Membran (Kunststoffolie) 10 wird mittels einer Dichtung (z.B. Indiumdichtung) 11 in das Gehäuse 12 eingepaßt. Prinzipiell kann auch eine elastomere Dichtung verwendet werden. In elastomeren Materialien kann aber - vor allem bei längerer Expositionszeit - ein Test gas - Helium - adsorbiert werden, was dann zu einem Helium-Störsignal führen kann. Um diesen möglichen Fehler zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung einer gegen Adsorbtion unempfindlichen Dichtung. Um Messungen auch bei hohen Gesamtdrücken auf der Testgasseite zu ermöglichen, kann wahlweise zur Vermeidung von Deformationen oder Zerstörungen der dünnen Folie 10 eine Abstützung auf der Niederdruckseite vorgesehen werden. Ein hierfür verwendeter Abstützkörper 13 kann z.B. aus einem Drahtgewebe oder aus einem Sinterbronzekörper bestehen.
Der Abstützkörper 13 ist in einer Fassung 14 eingebettet.
Das System wird mittels eines Schraubbolzens 15 mit dem Gehäuse 12 verschraubt, wobei zwischen der Stützkörper-Fassung 14 und dem Schraubbolzen 15 ein elastisches Element (0-Ring) 16 vorgesehen ist.
Das Testgas kann durch die Bohrungen 19 der einzelnen Sondenbestandteile bzw. durch die Poren des Stützkörpers 13 hindurchtreten und ungehindert die Kunststoffolie 10 erreichen. Das Gehäuse 12 weist außer einem inneren Gewinde 17 für den Schraubbolzen 15 auch ein äußeres Gewinde 18 auf, wodurch die Sonde an die jeweils gewünschte Stelle einschraubbar ist.
Folgende Anwendungsmöglichkeiten können mit einer derartigen Sonde in Betracht gezogen werden: Die Sonde läßt sich als Testleck zur Einstellung und Kalibrierung von Helium-Lecksuchgeräten auf eine definierte Empfindlichkeit verwenden. Eine Eichung der Sonde ist jedoch auch hierfür erforderlich.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit stellt die industrielle Dichtheitsprüfung von Erzeugnissen (z.B. Kälteverdichter, Kühlschrankverdampfer usw.) nach dem Helium-Massenspektrometer-Verfahren dar. Hierfür ist es erforderlich, ein Grenzmuster mit einem definierten Leck (Kalibrierleck) zu haben, welches die gerade noch zulässige Leckrate des zu prüfenden Bauteils darstellt. Ein Grenzmuster ist erforderlich, da die Empfindlichkeit der gesamten Prüfanlage und die richtige Einstellung der Grenzmarke in gewissen Zeitabständen, z.B. nach 1000 Prüflingen, während der Serienprüfung kontrolliert werden muß. Verschiebungen des Grenzleckwertes können z.B. durch Anderungen der Zusammensetzung des Testgases (Helium-Anteil), durch Druckänderungen des Testgases, durch Anderungen der Saugleistung der Vakuumpumpen oder auch durch Empfindlichkeitsänderungen des Massenspektrometers auftreten.
In Fig. 2 ist eine Prüfeinrichtung für eine industrielle Dichtheitsprüfung schematisch dargestellt. Die Dichtheitsprüfung erfolgt nach der Überdruck-Methode, wobei der Prüfling 20 in eine Vakuumkammer 21, bestehend aus einer Haube 22 und Boden 23 eingeschlossen ist. Die Vakuumkammer 21 wird über das Ventil 24 mittels einer nicht näher dargestellten Vakuumpumpe evakuiert. Über das weitere Ventil 25 ist die Vakuumkammer 21 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Helium-Massenspektrometer verbunden. Der Prüfling 20 wird über das Ventil 26 mit Testgas beaufschlagt. Das Testgas kann ein Gasgemisch (Luft-Gemisch, Stickstoff-Gemisch) mit Heliumanteil sein. Das Druckmeßgerät 27 dient der Kontrolle des Prüfdrucks. Der Anschluß 29 des Prüflings 20 mit der Testgasleitung wird zweckmäßig außerhalb der Vakuumkammer 21 gelegt, um eventuelle Verfälschungen durch Undichtheiten an dieser Anschlußstelle zu vermeiden. Es kann jedoch auch z.B. eine Doppeldichtung mit Zwischenabsaugung Verwendung finden.
Die Dichtheitsprüfung in der Serienfertigung geschieht dann wie folgt: Ein Prüfling 20 wird mit einer wie in Fig. 1 dargestellten Sonde 30 ausgerüstet und als Grenzmuster (Masterpiece) verwendet. Die Sonde weist eine bestimmte Leckrate auf, die genau der gerade noch zulässigen Leckrate der zu prüfenden Serienteile entspricht. Bei den angegebenen Kunststoffolien liegt die gewünschte Leckrate bei 10 5 bis 10 7 mbar.l.s 1 bei einem Helium-Differenzdruck von 1 bar. Mit dem Grenzmuster wird die Anlage bei den gegebenen Bedingungen (Testgasdruck, Saugleistung der Vakuumpumpen, Empfindlichkeit des Massenspektrometers usw. ) geeicht. Danach wird das Grenzmuster entfernt und die Prüflinge 20 (ohne Sonde 30) werden auf ihre Dichtheit in Serienfertigung geprüft. Die Taktzeit der Prüfung liegt dabei unter 10 s. Eine Aussonderung als Schlechtteil erfolgt, wenn die Leckrate größer ist als diejenige des Grenzmusters. Das Grenzmuster läuft von Zeit zu Zeit mit der Serie durch, um die Grenzmarke für die Gut-Schlecht-Einstellung zu kontrollieren bzw. neu einzustellen. Hierdurch wird die Kontrolle der Empfindlichkeit und die Einstellung der Grenzmarke im richtigen Bereich ermöglicht.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Testlecks als Meßsonde ergibt sich aus Fig. 3. Hier dient die Meßsonde zur Bestimmung des Helium-Partialdruckes in Gasgemischen bei mittleren und höheren Gesamtdrücken (bis ca. 10 bar) unter Verwendung eines handelsüblichen Helium-Lecksuchgerätes. Die Möglichkeit zur direkten Messung des Helium-Partialdruckes in Gegenwart von anderen Gasen bei höheren Drücken kann z.B. zur Bestimmung des Heliun-Anteils in Testgasgemischen genutzt werden oder aber auch zur einfachen Untersuchung von Diffusionsvorgänge.
In Fig. 3 ist die Sonde 30 an den Behälter 31, welcher ein Gasgemisch mit Heliumanteil enthält, angeflanscht.
Die eine Seite der Sonde 30 ist über eine Vakuumleitung 32 mit einem nicht näher dargestellten Helium-Massenspektrometer verbunden. Auf der anderen Seite wird die Sonde direkt an einen Behälter mit dem zu untersuchenden Gasgemisch angeschlossen.
Der Heliumstrom durch die Sonde 30 ist proportional der Helium-Partialdruckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Kunststoffolie 10. Da die eine Seite evakuiert 4 ist - mit einem Helium-Restgasdrucku 10 mbar - ist der Heliumstrom durch die Sonde 30 direkt proportional dem herrschenden Helium-Partialdruck im Testgasraum. Der Heliumstrom ist dagegen nicht abhängig von zusätzlichen Anteilen der Luft oder anderen Gasen im zu untersuchenden Medium. Die Sonde kann somit für Helium-Partialdruckmessungen geeicht werden.
Bei den angegebenen Kunststoffolien liegt der Helium-Partialdruckmeßbereich im Bereich von einigen bar (o 10 bar) bis zu etwa 10 3 mbar. Die Nachweisempfindlichkeit wird dabei von der Heliumdurchlässigkeit der Sonde 30 und von der Empfindlichkeit des verwendeten Helium-Lecksuchgerätes bestimmt, Wegen der Zunahme der Permeation mit der Temperatur gilt die Kalibrierung der Sonde für eine bestimmte Temperatur.
Bei einer Abweichung von dieser Temperatur ist eine Korrektur von ca. 3% pro 1 Kelvin vorzunehmen.
Testleck-Sonde Zusammenfassung Es wird eine Testleck-Sonde vorgeschlagen, welche zur Kontrolle der Empfindlichkeit und Einstellung der Grenzmarke einer industriellen Dichtheitsprüfanlage dient. Die Sonde (30) läßt sich außerdem als Meßsonde zur Bestimmung des Partialdrucks eines Gasbestandteiles in Gasgemischen bei mittleren und höheren Gesamtdrücken verwenden. Die Sonde besteht aus einer dünnen Membran (10) mit einem definierbaren Gasdurchsatz für ein Testgas (Helium), der auf dem Prinzip der Permeation erfolgt. Die Membran (10) ist hierfür in ein einschraubbares Gehäuse (12) integriert.
Bei der Dichtheitsprüfanlage wird die Meßsonde (30) an ein Grenzmuster (20) angebracht; die Leckrate der Sonde dient als Grenzwert für die Gut/Schlecht-Entscheidung der Serienteile. Als Meßsonde zur Bestimmung des Helium-Partialdrucks in Gasgemischen wird die Sonde (30) an einem Behälter (31) mit dem zu untersuchenden Gasgemisch angeschlossen.
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Claims

Ansprüche ½). Testleck-Sonde, insbesondere zur Verwendung bei Dichtheitsprüfungen, bei Messungen von Partialdrücken oder Kalibrierung von Lecksuchgeräten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sonde (30) einen Festkörper (10) enthält, durch welchen ein definierbarer Gasdurchgang durch Permeation erfolgt, wobei ein Testgas mittels eines Massenspektrometers gemessen wird.
2. Testleck-Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Festkörper eine Membran (10) aus Kunststoff (Kunststoffolie), Gummi oder gummiähnlichem Material Verwendung findet.
3. Testleck-Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Helium-Testleck-Sonde folgende Kunststoffolien Verwendung finden: Polysulfon, Polytrifluorchloräthylen, Polypropylen, Polyimid oder Poly-Äthandiolterephthalat.
4. Testleck-Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung kurzer Einstellzeiten(c 10 s für Signalhöhe > )folgende Kunststoffolien Verwendung finden: Polysulfon: d - 50/um Polytrifluorchloräthylen: d - 125 Polypropylen: d - 25 /um.
5. Testleck-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) in einem verschraubbaren Gehäuse (12) abdichtbar untergebracht ist.
6. Testleck-Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (12) auf der Niederdruckseite der Membran (10) ein Stützkörper (13) aus Drahtgewebe und/ oder Sintermetall vorgesehen ist.
7. Testleck-Sonde nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) mit Membran (10) eine Sonde (30) zur Messung von Helium-Partialdrücken in Gasgemischen darstellt.
8. Testleck-Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem Prüfling (20) angeschlossene Sonde (30) als Grenzmuster für die noch zulässige Leckrate von Serienteilen dient.
9. Testleck-Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem Behälter (31) mit einem Gasgemisch angescnlossene Sonde (30) zur Messung des Partialdruckes eines Bestandteiles des Gasgemisches dient.