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Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zum Prüfen
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der Dichtheit von Uhren und anderen Hohlkörpern Seit dem Aufkommen
der Armbanduhren war deren Dichtheit gegen eindringendes Wasser ein Problem, das
die Fachwelt in zunehmendem Masse beschäftigte. Die Dichtungen an den Uhren wurden
verbessert und die Verfahren und Einrichtungen zur Prüfung der Dichtheit vervollkommnet.
Zahlreiche Patente und andere Schriften zeugen von diesem Bemühen.
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Gemäss dem Patent CH 182 446, ang. 1934/ert.36, wurde die Uhr ins
Wasser getaucht, darüber Vakuum erzeugt und die Dichtheit beurteilt, indem man die
aus der Uhr austretenden Luftblasen beobachtete Eine wesentlich genauere Einrichtung
gemäss US -PS 2 401 368 (1942/46) wird wie folgt betrieben: Der auf Buftdichtheit
zu prüfende Hohlkörper, ein Bombenzünder, wird in ein geschlossenes Behältersystem
gebracht, welches einen bestimmten Anfangsdruck und ein bestimmtes Anfangsvolumen
aufweist. Durch ändern dieses Volumens wird der Druck geändert. Die sich bei einem
Leck ergebenden weiteren Druckänderungen werden gemessen und bilden ein Mass für
die Dichtheit des Hohlkörpers Im Bulletin annuel de la Societe Suisse de Chronometrie
et du Laboratoire Suisse de Recherches Horlogeres" Band 4 (1960) Seiten 479-482
stellt ATTINGER ein im LSRH gebautes Gerät zur Prüfung der Dichtheit von Uhren in
luft vor und berichtet über die damit erzielten Messergebnisse. Es heisst in diesem
Bericht, dass es für die Endkontrolle der für den Export nach Uebersee bestimmten
Uhren nicht zulässig sei, diese ins Wasser zu tauchen, denn kleinste zurückgebliebene
Wasserreste
könnten auf dem langen Transport in die Uhr eindringen
und gefährlichen Rost verursachen Bei diesem Gerät mass man mittels einer Messuhr
die Verformung des Uhrglases unter der Wirkung eines Unter-oder Ueberdruckes. Rechnung
und Versuche ergaben eine Verformung von 50 - 60 um für einen Druckunterschied von
1 kg/cm2, bei normalen wasserdichten Uhren. Der absolute Wert der Verformung sei
nicht wichtig, dagegen deren Konstanz während der Messzeit von z.B. 5 Minuten.
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Aus den im Bericht veröffentlichten Messergebnissen von 10 Uhren mit
Anfangsverformungen von 19 - 31 pm bei rund 0,5 kg/cm2 Aussendruck errechnet man
Rückbildungen von weniger als 4% bei dichten Uhren und 29-100 ffi bei undichten
Uhren, gemäss Vergleichsmessung in Wasser bei 1-2,5 kg/cm2 Ueberdruck.
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Die von ATTINGER erwähnte Berechnung der Verformung bzw. der Leckrate
PL wurde in einem Vortrag von GER-MAN und RIECKMANN im Juni 1963 erläutert. Mit
einigen Vereinfachungen erhielten sie am Schluss der Ableitung die Formel
worin PL Ileokrate in Torr l'/s poa Druck vor der Messung ausserhalb des Uhrengehäuses
in Torr , analog p,i innerhalb p Druck während der Messung ausserhalb des Uhrengehäuses
in Torr V freies Volumen im Uhrengehäuse in Ii ah Aenderung der Wölbungshöhe während
der Messzeit in um hp Wölbungshöhe in um beim Druck p h0 Wölbungshöhe in um beim
Druck po at Messzeitspanne in s k von Poi und p abhängiger Faktor, meist = 1
Es
folgten ausführliche Erörterungen über die 10 Tage dauernden Messungen an einer
Uhr; am organischen Uhrglas um dessen Fliessen zu studieren, am Boden zum Vergleich;
über Versuche mit einer andern Methode mit Messung des leckbedingten Druckanstieges
in einem zuvor evakuierten Rezipienten, und über Vorschläge zum Entwurf einer neuen,
beide Methoden gleichzeitig durchführenden Messapparatur.
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Der Vortrag ist später in derZeitschrift für Instrumentenkunde Jg.72(1964)
H.8 veröffentlicht worden.
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Ein vom LSRH (so») für die Praxis weiterentwickeltes Gerät wurde
gemäss CH-PS 501 963 1966/71 patentiert.
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Dabei wurde die Messuhr durch ein elektromagnetisches Fühlerhebelsystem
ersetzt, welches über Kontakte eine sehr einfache GUT/SCHIECHT-Anzeige mittels grüner
und roter Lampe ermöglichte. Alternativ seien auch elektronische Fühler und Relais
verwendbar, hiess es in der Patentschrift.
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Bis in neuester Zeit sind weitere Einrichtungen der erwähnten Art
vorgestellt worden, wobei die Druckänderungsmessung auch für Uhren, die Verformungsmessung
auch bei Konservendosen und aridern Gefassen angewandt wurden Die in verschiedenen
Ländern fortgesetzten Studien und Versuche von Wissenschaft und Industrie dienten
auch der Erarbeitung von Normvorschlägen über die an wasserdichte Armbanduhren zu
stellenden Anforderungen und die einschlägigen Messmethoden. Diese Normen stimmen
heute europäisch darin überein, dass die Leckrate 50 Bg Luftdurchfluss pro Minute
nicht übersteigen soll.
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Die dabei anzuwendende ./.
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Basis-Messmethode ist z.B. nach der Norm NIHS 92-10 vom Mai 1972 die
folgende: §'Die Armbanduhr wird einem Buftüberdruck von = = 2 x 105 N/m2 = 2 bar
ausgesetzt. Die Bufteinströmung ins Innere der Uhr wird gemessen." Gleichwertige
Methoden seien solche, die eine Gasströmung messen oder sofern sie messbare Resultate
ergäben und die Einhaltung der Mindestanforderungen garantierten, unter Anwendung
des Gesetzes von Hagen-Poiseuille.
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Als solche Methode wird in der Norm neben einer Kontrollmethode mit
Helium eine solche mit Vakuum erwshnt: "Die zu kontrollierende Uhr wird in einen
luftdichten Behälter gelegt, in welchem man ein Vakuum herstellt Die Druckzunahme
je im Behälter mit dem Innenvolumen V*, gemessen während der Zeit dt ergibt das
teckverhältnis L nach der Formel v* V* ap* nt (* Der Stern ist hier beigefügt um
eine Verwechslung mit den anders definierten Grössen in der Arbeit GER-MAN/RIECKMANN
zu vermeiden). Analoge Formulierungen und Formeln finden sich auch in den andern
Normen; in DIN 8310 wird L leokrate genannt, und es ist auch ein Ueberdruckverfahren
in Wasser als geeignete Methode beschrieben.
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Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren, wie es im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 umschrieben ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die seit langem bekannten Verfahren
zur Dichtheitsmessung an Hohlkörpern derart auszugestalten, dass ihre Ergebnisse
besser mit
genormten oder sonstwie vorgegebenen Grenzwerten vergleichbar
sind.
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Die Aufgabe wird gemäss dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Obschon nämlich das jeweilige freie Innenvolumen der Uhr in den Berechnungen
von GERMAN/RIECKMANN und anderen berücksichtigt worden war, ist es in den Normen
bisher unerwähnt geblieben, und es sind überraschenderweise auch keine Messeinrichtungen
bekanntgeworden, welche auf einfache Art eine entsprechende Betriebsweise erlaubt
hätten. Die bisher in Kauf genommenen Ungenauigkeiten werden klar, wenn man erkennt,
dass das freie Innenvolumen der verschiedenen Armbanduhr-Kaliber sich um mehr als
Faktor 10 voneinander unterscheiden kann.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den weiteren
Patentansprüchen umschrieben.
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Ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Diese zeigt schematisch in Aufriss-Schnitt einen Rezipienten 1 mit
hineingelegter Uhr 2 , einen Mikrocomputer 3 als Block mit zugehörigen Signalleitungen,
und als Ansicht das Bedienungsfeld 4 der Dichtheits-Messeiichtung. Bloss durch eine
Druckluftleitung 5 angedeutet ist die nicht dargestellte Druckluftquelle, z.B. eine
luftpumpe.
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Die Einrichtung wird nun wie folgt betrieben: Zuerst werden die Messparameter
oder -bedingungen am Bedienungsfeld 4 eingegeben. Das freie Innenvolumen V der Uhr
wird durch entsprechende Mittel dargestellt, d..
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durch einstellen eines Drehwiderstandes 6. Auch der Prüfdruck p und
die Messzeit at können an dem entsprechenden Drehwiderstand 7 bzw. Kippschalter
8 gewählt werden, sofern diese Parameter nicht zum voraus für
eine
gegebene Serie von gleichartigen Messungen fest eingestellt sind. Die Uhr 2 wird
mit ihrem Boden 9 auf den im Sockel 10 des Rezipienten 1 eingelassenen Höhenfühlers
11 aufgesetzt und der Rezipient 1;10 geschlossenO Durch betätigen der Start-Taste
12 wird jetzt die automatische Messung der Dichtheit in Gang gesetzt.
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Nachdem der Fühler 11 die der Anfangslage entsprechende Höhe ho des
noch unverformten Uhrenbodens 9 festgestellt und in Form eines analogen oder digitalen
Signals an den Mikrocomputer 3 zur Speicherung übermittelt hat, wird das Magnetventil
13 so lange geöffnet, bis der Drucksensor 14 im Sockel 10 bzw. der MikrocompRter
3 das Erreichen des vorgegebenen Prüfdruckes p festgestellt hat. Jetzt wird vom
Fühler 11 die unter Solldruck p erreichte neue Lage hp des Uhrenbodens 9 an den
Mikrocomputer 3 durchgegeben. Dieser vergleicht dieses neue Signal mit dem gespeicherten
Anfangswert ho woraus sich die Anfangsverformung hp - ho ergibt.
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Der Mikrocomputer errechnet jetzt sofort an Hand der eingegebenen
und gemessenen Daten diejenige Rückbildung #hz der Bodenverformung, welche der zulässigen
Leckrate l'z z.B. 50 ug/min entspricht: (hp = ho) - Bt . Ptz (Poa - p) . V . k(poi,
p) gemäss der eingangs behandelten Arbeit GERMAN/RIECKMANN.
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Die eingestellte Messzeit dt wird jetzt vom Mikrocomputer 3 gestartet.
dh der Rückbildung 1h der Je nachdem, wann die wirklichefVerformung h diesen zulässigen
errechneten Wert erreicht, erfolgt die Entscheidung GUT/SCHLECHT im Mikrocomputer
3, angezeigt z.B. durch eine der beiden Lampen OK und NG im Bedienungsfeld 3
Bei
einer Uhr, deren Dichtheitgleich gut oder besser als zulässig ist, erscheint bei
der gegebenen Messzeit dt das Signal der grünen Lampe OK.
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Bei einer Uhr, die etwas stärker als zulässig leckt, erscheint schon
bei erreichen der zulässigen Rückbildung Xhz das Signal der roten Lampe NG, d .
h. vor Ablauf der vorgegebenen Messzeit Qt . Je weniger dicht also eine Uhr ist,
umso schneller wird sie als solche erkannt und kann ausgeschieden werden. Dies wirkt
sich günstig auf die Produktivität der Messeinrichtung aus.
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Bei einem sehr grossen Leck gleicht sich der Innendruck sofort dem
Aussendruck an, und das Ausbleiben irgendwelcher Anfangsverformung wird sogleich
vom Mikrocomputer erfasst und als rotes Lampensignal angezeigt.
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Alternativ oder zusätzlich , z.B. für genauere Auswertungen der Messergebnisse,
kann die Leckrate selbst in pg/min an einem Anzeigeinstrument 15 im Bedienungsfeld
4 abgelesen werden. Es genügt, dieses Instrument 15 solange mit einer zeitproportionalen
Spannung zu speisen, bis der oben erläuterte GUT/SCHLECHT-Entscheid erfolgt, und
den dann erreichten Spannungswert zur bequemen Ablesung zu halten. Die Skala könnte
z.B.
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entsprechend den zwei Zeitbereichen bt von 1 und 4 min oben und unten
unterschiedlich angeschrieben werden.
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Besonders in solchem Falle ist es wünschenswert, das Innenvolumen
V des Hohlkörpers einigermassen genau zu bestimmen. Im einleitend besprochenen Bericht
GERMAN/ RIECI(MANN heisst es diesbezüglich: "Für das freie Volumen im Uhrgehäuse
kann aus seiner Masse und seinen äusseren geometrischen Abmessungen ein Näherungswert
bestimmt werden, wenn es nicht aus den Konstruktionsdaten bekannt ist e 19 Für mittelgrosse
Armbanduhren
wurde gefunden, dass das freie Innenvolumen V etwa
die Hälfte desjenigen beträgt, das sich aus dem Produkt Gesamtdicke x Fläche des
Uhrglases errechnen lässt.
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Die Erfindung kann aber noch abweichend von diesem Beispiel ausgeführt
werden. Anstelle eines Mikrocomputers können konventionelle diskrete Schaltelemente
verwendet werden; die Resultatauswertung kann durch akustische Warnsignale, Ziffernanzeige,
Druckerausgang oder gar Roboterbedienung mit Auswertestatistik und Sonderbehandlung
fehlerhafter Stücke ausgebaut werden. Die Roboterbedienung könnte auch die selbsttätige
Ermittlung der einzugebenden Parameter am jeweiligen Hohlkörper in sich schliessen:
Bestimmen der Masse durch Wägung, der Konturen durch elektromechanische oder fotoelektrische
Fühleer; Wiederholen der Messung mit Aendern von Druck und/oder Messzeit zur Messbereichserweiterung,
etc.
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Ausser bei Uhren ist das Verfahren auch bei anderen Hohlkörpern,
insbesondere solchen mit elastischer Wand, vorteilhaft anwendbar, beispielsweise
bei der Eingangskontrolle von verkapselten integrierten Schaltungen und andern Halbleiterelementen,
welche in tropenfeste Geräte eingebaut werden sollen.
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In all diesen Fällen kann die Prüfeinrichtung leicht auf wechselnde
Prüfbedingungen, wie Innenvolumen, Prüfdruck und Messzeit umgestellt werden. Es
können dazu auch weitere Bedienungsorgane, z.B. zum Aendern der Grenzwerte vorgesehen
werden. Selbstverständlichkeiten, wie Netzschalter, Reset-Tasten, Nullpunkt- und
andere Korrektureinrichtungen werden hier der Kürze halber nicht näher beschrieben
und sind auch in der Zeichnung des Ausführungsbeispiels in der vorangehenden Beschreibung
weggelassen worden.
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Anderseits kann das Verfahren bei geringeren Ansprüchen an den Bedienungskomfort
bei einer Dichteprüfeinrichtung mit Messuhr angewandt werden; die Messuhr kann dabei
durch Ein- oder Aufsteckskalen, Austausch- oder Mehrfachskalen für unterschiedliche
Volumina und gegebenenfalls Prüfdrucke benützbar gemacht werden. Die Ablesezeit
wird in solchem Falle wie üblich mittels Stopuhr bestimmt.
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Solche und andere Varianten sind jedoch aus Raumgründen hier nicht
näher dargestellt.
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