DE3825016A1 - Verfahren zum pruefen von hohlraeumen auf leckverluste und pruefgeraet zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Hohl­ räumen auf Leckverluste gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1 sowie ein Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.

Es ist bekannt, ein undichtes Prüfobjekt mit Hilfe von Dichtheitsprüfgeräten dadurch zu erkennen, daß diese den zeitlichen Druckverlauf eines unter Über- oder Unterdruck stehenden Fluides, mit welchem das Prüfobjekt gefüllt ist, messen und mit einem vorgegebenen Druckverlauf vergleichen. Diese im folgenden Signaldruck bezeichnete Meßgröße kann sowohl mit normalen Manometern als auch mit Differenzdruck­ meßgeräten gemessen werden. Bei letzteren wird an die eine Meßkammer das Prüfobjekt, an die andere Meßkammer ein Vergleichsvolumen mit möglichst konstantem Druck angeschlos­ sen. Die Differenzdruckmeßgeräte dienen hier also als Manometer mit kleinem Meßbereich und unterdrücktem Nullpunkt; vgl. DE-OS 19 30 528.

Mit solchen Prüfgeräten können hohle, undichte und daher fehlerhafte Objekte, in denen sich beim endgültigen Gebrauch Flüssigkeiten oder Gase befinden, wie beispielsweise Feuerzeugtanks, Kugelschreiberminen, Vergasergehäuse, Zylindergehäuse von Verbrennungsmotoren, Rohrverbindungstei­ le, u. ä. während des Herstellungsprozesses entdeckt und ausgesondert werden. Da diese Prüfgeräte meist bei der Produktion von Massengütern zur Anwendung gelangen, besteht ein großer Bedarf an Prüfgeräten, die im Interesse einer rationellen Fertigung diese Prüfvorgänge möglichst schnell durchführen können.

Die zum Prüfen notwendige Zeit, die Prüfzeit, kann in die Zeitabschnitte "Füllzeit, Wartezeit und Meßzeit" unterteilt werden, wobei unter Füllzeit die Zeit verstanden wird, innerhalb der das Gesamtvolumen der Prüfeinrichtung den vorgesehenen Prüfdruck annimmt. Dieses Volumen besteht in der Hauptsache aus dem Volumen des Prüfobjektes, aus den Volumen der Rohrleitungen, des Manometers bzw. der Kammern des Differential-Manometers.

Die Wartezeit beginnt mit der Abschaltung der Druck­ quelle vom Prüfobjekt, sie endet bei Verwendung normaler Manometer mit einer vom Prüfobjekt abhängigen, voreingestell­ ten Zeit, bei Verwendung von Differenzdruck-Meßgeräten mit der Trennung der beiden Kammern dieser Meßgeräte. Während der Wartezeit soll der Signaldruck bzw. der Signaldifferenzdruck seine auswertbare Höhe annehmen.

Wie die Erfahrung gezeigt hat, nimmt der Signaldruck bzw. Signaldifferenzdruck seine auswertbare Höhe infolge von Wechselwirkungen zwischen dem für die Prüfung verwendeten Fluid und der inneren Oberflächen - im folgenden kurz "Oberfläche" - des Prüfobjektes nicht sofort nach Trennung der Druckquelle an. So verhält sich ein Prüfobjekt, dessen innere Oberfläche porös ist, anders als das gleiche Prüfobjekt mit innerer glatter Oberfläche. Bei einem abgeschlossenen Prüfobjekt mit poröser Oberfläche verändert sich der Signaldruck solange, bis die in der Oberfläche vorhandenen Poren vom Prüfgas durchdrungen sind. Dagegen bleibt beim gleichen Prüfobjekt mit glatter Oberfläche der Druck konstant. Ähnlich wie eine poröse Oberfläche wirkt ein Lunker, der mit dem Hauptraum, beispielsweise über einen dünnen Kanal verbunden ist. Entsprechendes gilt, wenn das Innere des Prüfobjektes mit Wasser benetzt ist. In einem solchen Falle verändert sich der Signaldruck solange, bis das Prüffluid mit Wasserdampf gesättigt ist. Schließlich können auch durch chemische Reaktionen, wie Oxidationen, zwischen dem Prüffluid und dem Prüfobjekt zeitabhängige Signaldruck­ änderungen entstehen.

Bei derartigen oberflächenaktiven Prüfobjekten mit das Meßsignal störenden Vorgängen kann daher die Meßzeit erst nach einer ausreichenden Wartezeit beginnen, innerhalb welcher die Wechselwirkungen zwischen Prüffluid und Prüfobjekt hinreichend abgeklungen sind.

Es ist bekannt, das Abklingen der Oberflächenaktivität in die Füllzeit zu verlegen. Die Meßzeit einer solchen Prüfvorrich­ tung beginnt dann mit dem Ende der Füllzeit. Aus dem Druckverlauf des Prüfgases während der Meßzeit wird auf eine Leckrate zwischen dem Wert "Null" und einem "Ausschußwert" geschlossen; vgl. DE-OS 24 24 409.

Es ist ferner bekannt, den ermittelten Differenzdruck durch ein elektrisches Signal in Form einer Spannung darzustellen und aus dem zeitlichen Differntialquotienten oder einem zeitlichen Differenzquotienten der elektrischen Ausgangsgröße des Differenzdruck-Meßgerätes die Leckrate des Prüfobjektes zu ermitteln; vgl. DE-PS 31 01 983.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluß der Oberflächenaktivität der Prüfobjekte auf die Meßzeit zu verringern, die bekannten Verfahren und Vorrichtungen Meidung der geschilderten Nachteile also derart weiterzubilden, daß die Prüfzeit wesentlich verkürzt wird, ohne dabei Minderungen in der Prüfgenauigkeit in Kauf nehmen zu müssen.

Ausgehend von einem Dichtheitsprüfgerät gemäß der DE- PS 31 01 983 ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 für das Verfahren und durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 6 für die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung werden also insbesondere die Verfahren, bei denen als Signal für die Leckrate eines Prüfobjektes die sich während der Meßzeit einstellende zeitliche Änderung des Signaldruckes verwendet wird, dadurch weitergebildet, daß außer deren erstem Differentialquotienten auch der zweite zeitliche Differentialquotient ermittelt wird, der nach Erreichen eines vorgebbaren Grenzwertes als Auslösesignal zur Auswertung des ersten Differentialquotienten dient, der, je nachdem, ob er gleich, höher oder niedriger ist als derjenige, welcher eine zulässige Leckrate repräsentiert, als Ausschuß- oder Gut-Signal definiert wird, wobei die als Signaldruck dienende Meßgröße sowohl mit normalen Manometern als auch mit Differenzdruck-Meßgeräten gemessen werden kann.

Durch die Bestimmung des zweiten Differentialquotienten vor Abklingen der Oberflächenaktivität des Prüfobjektes kann die Prüfzeit gegenüber bekannten Verfahren wesentlich verkürzt werden. Unterscheidet sich innerhalb einer vorgegebenen Prüfzeit der Wert des zweiten Differentialquotienten von "Null", wird angezeigt, daß das Prüfobjekt oberflächenaktiv ist. Die hierdurch bedingten Störungen des Meßsignals klingen annäherungsweise in einer e-Funktion ab. Bekanntlich ist der Wert des zweiten Differentialquotienten bei e-Funktionen gleich dem Wert des ersten Differentialquotienten, so daß ersterer zur Bestimmung des Aktivitätsfehlers des Prüfobjek­ tes verwertet werden kann. Werden beide Differentialquotien­ ten addiert, so beschreibt die Summe das Leckverhalten des Prüfobjektes. Liegt die Summe in der Zeitachse, so handelt es sich um ein dichtes Objekt. Liegt sie dagegen außerhalb der Zeitachse, ist dies ein Zeichen für eine vorhandene Undichtigkeit des Objektes. Hieraus ist zu ersehen, daß Aktivitätsfehler beim Prüfvorgang eliminiert werden und daß das jeweilige Prüfobjekt unmittelbar nach der Trennung von der Druckquelle gemessen werden kann. Die genaueste Vermessung der Leckrate des Prüfobjektes wird nach Abklingen der Oberflächenaktivität des Prüfobjektes erhalten. Erfindungsgemäß wird jedoch zwecks Verkürzung der Prüfzeit diese optimiert, indem in einem Zeitbereich gemessen wird, innerhalb dessen der zweite Differentialquotient zwischen 90 % und 50% seines Anfangswertes liegt. Auf diese Weise wird ein Optimum der Prüfzeit mit hinreichend kleiner Streuung der Leckmessungen bei möglichst kurzer Meßzeit erzielt. Die kürzeste Prüfzeit oberflächenaktiver Objekte wird dagegen bei einer Leckmessung erzielt, welche unmittelbar nach der Trennung des Prüfobjektes von der Druckquelle beginnt. Wie die Erfahrung gezeigt hat, ist jedoch bei Wahl dieses Zeitpunktes für den Beginn der Messung die Streuung der Leckmessungen mehrerer gleichartiger Prüfobjekte groß, so daß Prüfobjekte mit kleinen Lecks schlecht erkannt werden. Diese Tatsache ist bei der Wahl der zu verwendenden Parameter unter Berücksichtigung der geforderten Toleranzgrenze zu berücksichtigen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spieles beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2a-5b Zeit-Druckdiagramme des Prüfgerätes gemäß Fig. 1.

Eine beispielsweise als Kompressor ausgebildete, drucksteuer­ bare Druckquelle Dq ist mit einem zu prüfenden Objekt Ob über ein elektrisch steuerbares Magnetventil MV derart verbunden, daß ein von der Druckquelle erzeugtes Fluid dann die hier nicht dargestellten Hohlräume des Objektes auffüllt, solange das Magnetventil geöffnet ist. Über eine Leitungsverbindung 10 ist der Eingang E 1 eines ersten druckmessenden Schaltglie­ des DS 1 unmittelbar mit dem Prüfobjekt Ob verbunden. Das druckmessende Schaltglied DS 1 weist einen elektrischen Schaltausgang SA 1 in Form von einstellbaren Grenzkontakten G 1 auf, der über eine Leitungsverbindung 12 mit dem Schaltmagne­ ten SM des Magnetventils MV verbunden ist. Das Schaltglied DS 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein reibungs­ freies Manometer mit digitalem und/oder analogen Ausgang, vorzugsweise elektrischem Ausgang, mit einstellbarem Grenzkontakt, über den das Magnetventil geschaltet wird.

Mit dem Ausgang A 1 des Schaltgliedes DS 1 ist der Eingang E 2 eines zweiten, vorzugsweise elektrischen, als Differenzier­ glied arbeitenden Schaltgliedes DS 2 - das gleichfalls reibungsfrei ausgebildet ist - verbunden, das ebenfalls einen elektrischen Schaltausgang SA 2 in Form von einstellbaren Grenzkontakten G 2 aufweist. Der Ausgang A 2 dieses Schaltglie­ des ist mit dem Eingang E 3 eines dritten vorzugsweise elektrischen, als Differenzierglied arbeitenden Schaltgliedes DS 3 - das gleichfalls reibungsfrei ausgebildet ist - verbunden, das ebenfalls einen elektrischen Schaltausgang SA 3 in Form einstellbarer Grenzkontakte 63 aufweist.

Mit Hilfe des Schaltgliedes DS 2 wird der erste zeitliche Differentialquotient der vom ersten Schaltglied DS 1 festgestellten Druckänderung des Prüfobjektes Ob ermittelt, während mit Hilfe des dritten Schaltgliedes DS 3 der zweite zeitliche Differentialquotient der genannten Druckänderung im Objekt Ob festgestellt wird.

Die die Schaltausgänge SA 2 und SA 3 der Schaltglieder DS 2 und DS 3 bildenden Grenzkontakte G 2 und G 3 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel der Einfachheit halber jeweils mit je einer Signallampe L 2 bzw. L 3 verbunden.

Durch die vorstehend beschriebene Anordnung ist der vom Schaltglied DS 1 im Prüfobjekt herrschende Prüfdruck ablesbar, während das Schaltglied DS 2 den ersten zeitlichen Differen­ tialquotienten und DS 3 den zweiten zeitlichen Differential­ quotienten des gemessenen Prüfdruckes anzeigt.

Über ein nicht näher dargestelltes Steuergerät St wird die Meßsequenz der vorstehend beschriebenen Anordnung wie folgt gesteuert.

Nach Anschluß eines Prüfobjektes Ob wird durch einen Startimpuls des Steuergerätes St das Magnetventil MV geöffnet, so daß Prüffluid in das Objekt einfließen kann. Hierdurch steigt der Druck im Schaltglied DS 1 solange an, bis sein eingestellter Grenzkontakt G 1 aktiviert wird, durch den das Magnetventil MV geschlossen wird.

Nahezu gleichzeitig mit dem Schaltglied DS 1 ermittelt das Schaltglied DS 2 den ersten zeitlichen Differentialquotienten des Prüfdruckes und das Schaltglied DS 3 den zweiten zeitli­ chen Differentialquotienten des genannten Prüfdruckes und zeigt diesen an. Erreicht die Anzeige im Schaltglied DS 3 den Wert "Null" oder einen anderen vorgegebenen Wert, so wird der Grenzkontakt G 3 geschlossen und damit die Signallampe L 3 geschaltet. Sobald diese Signallampe geschaltet wird, der zweite Differentialquotient des Prüfdruckes also einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wird die Größe des im zweiten Schaltglied DS 2 ermittelten ersten Differentialquo­ tienten des Prüfdruckes bestimmt, der das Leckverhalten des Prüfobjektes repräsentiert. Diese Signalgröße zur Auslösung von Schaltmitteln durch die zum Beispiel automatische Weichen gestellt werden können, mit welchen die Prüfobjekte als gut oder als Ausschußstücke sortiert werden können, dient in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel - wie bereits erwähnt - der Einfachheit halber der Auslösung der Signallampe L 2.

Durch das Schaltglied DS 2 wird also ermittelt, ob ein bestimmter Leckwert unterschritten oder überschritten ist. Ist dieser Leckwert überschritten, wird "Ausschuß" signalisiert, anderenfalls dagegen "gut" signalisiert, wobei diese Anzeige erfindungsgemäß erst dann erfolgt, wenn im Schaltglied DS 3 ein vorgegebener Signalwert unterschritten wird.

Nunmehr sei anhand der Zeit-Druck-Diagramme gemäß den Fig. 2a bis 5b die Funktion der einzelnen Schaltglieder DS 1 bis DS 3 beschrieben.

Wie diesen Figuren zu entnehmen ist, sind dort über der Zeit der Druck im Prüfobjekt und im Schaltglied DS 1 sowie dessen erster und zweiter zeitlicher Differentialquotient dargestellt.

Zum Zeitpunkt "Null" wird - wie bereits beschrieben - das Magnetventil M geöffnet, Prüffluid strömt aus der Quelle ins Objekt, der Druck in seinem Inneren steigt an. Er ist als ausgezogene Linie in einem verkürzten Koordinatensystem dargestellt. Im Zeitpunkt tr wird das Magnetventil MV geschlossen, danach bleibt der Prüfdruck konstant, wie aus der Fig. 2a hervorgeht. Dieser Druckverlauf gilt für einen dichten Prüfling ohne Oberflächenaktivität. Die strichpunk­ tierte Linie deutet den Druckverlauf nach Trennung des Objektes von der Quelle an, wenn sich der Prüflingsdruck wegen einer Oberflächenaktivität im Prüfling verändert. Die einfach gestrichtelte Linie zeigt, wie der Druck im Objekt steigen würde, wenn es nicht nach Erreichen einer bestimmten Höhe von der Quelle abgeschaltet werden würde.

Die Fig. 2b zeigt zeitabhängig den Druck eines Prüflings mit einem Leck. Zum Zeitpunkt tr wird, wie in Fig. 2a dargestellt, die Quelle vom Objekt abgetrennt. Da es sich hier um ein undichtes Objekt handelt, muß der Prüfdruck nach der Tennung absinken; dies ist mit der ausgezogenen Linie dargestellt.

Ist dieses Objekt oberflächenaktiv, dann ändert sich der Druck zeitabhängig entsprechend der strichpunktierten Linie.

In den Fig. 3a und 3b ist der erste zeitliche Differen­ tialquotient des in Fig. 2a und 2b gezeichneten Druckes im Objekt dargestellt. Da die Drucksteigerung allmählich abnimmt, sinkt dp/dt stetig auf den zum Zeitpunkt tr herrschenden Wert. Bei einem dichten Objekt ohne Oberflächen­ aktivität fällt dp/dt im Zeitpunkt tr auf den Wert "0".

Bei einem dichten Objekt mit Oberflächenaktivität (strich­ punktiert in Fig. 3a) fällt dp/dt zunächst auf einen negativen Wert und steigt dann allmählich auf den Wert "0" in demselben Maße, in dem sich der Druck im Objekt mit Abklingen der Oberflächenaktivität einem konstanten Wert nähert.

In Fig. 3b sind die entsprechenden Funktionen bei undichten Objekten dargestellt. Die ausgezogene Linie entspricht Objekten ohne, die strichpunktierte Linie solchen mit Oberflächenaktivität.

Die Fig. 4a und 4b zeigen den zweiten zeitlichen Differentialquotienten des Druckes im Objekt. Es ist zu erkennen, daß er hinreichend lange nach dem Zeitpunkt tr immer den Wert "0" annimmt, unabhängig davon, ob das Objekt dicht oder undicht ist. Soll das Leckverhalten sehr genau vermessen werden, dann muß gewartet werden, bis der zweite Differentialquotient nahezu den Wert "0" erreicht; dies wird allerdings die Prüfzeit verlängern, solange, bis die Oberflächenaktivität abgeklungen ist.

In den Fig. 5a und 5b sind die Summen der beiden Differentialquotienten als ausgezogene starke Linien dargestellt, die das Leckverhalten des Prüfobjektes verkörpern. In Fig. 5a ist zu erkennen, daß die Summe in der Zeitachse liegt, das Prüfobjekt ist also dicht. In Fig. 5b dagegen liegt die Summe außerhalb der Zeitachse, das Prüfobjekt ist also undicht.

Die Prüfzeit wird für geeignete Objekte dadurch verkürzt, daß der zweite Differentialquotient vor Abklingen der Oberflä­ chenaktivität gemessen wird. Unterscheidet sich sein Wert von "0", dann wird damit angezeigt, daß das Prüfobjekt oberflächenaktiv ist. Die hierdurch bedingten Störungen des Meßsignals klingen annähernd in einer e-Funktion ab. Da der Wert des zweiten Differentialquotienten bei e-Funktionen bekanntlich gleich dem des ersten ist, wird dieser zur Bestimmung des Aktivitätsfehlers verwertet. Werden - wie bereits erwähnt - beide Differentialquotienten addiert, so beschreibt die Summe das Leckverhalten des Prüfobjektes. Liegt sie - wie in Fig. 5a dargestellt - in der dargestell­ ten Zeitachse, so handelt es sich um ein dichtes Objekt, liegt sie außerhalb der Zeitachse - wie in Fig. 5b dargestellt -, dann ist das Objekt undicht. Die kürzeste Prüfzeit oberflächenaktiver Prüfobjekte entsteht bei einer Leckmessung, welche unmittelbar nach der Trennung beginnt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Prüfen von Hohlräumen eines Prüfobjektes auf Leckverluste mit einem die Hohlräume ausfüllenden, unter Über- oder Unterdruck stehenden Fluid, dessen Druckänderung nach Abschalten der Fluidquelle vom Prüfobjekt während der Meßzeit durch eine physikalische Größe dargestellt, nach der Zeit differenziert und der Differen­ tialquotient als die Leckrate des Prüfobjektes verkörperndes Signal verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des die Leckrate verkörpernden Signals durch einen Grenzwert des zeitlichen zweiten Differentialquotienten dieses Signals bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste und zweite zeitliche Differentialquotient mit Hilfe einer Rechenschaltung addiert werden und daß aus der Summe der Differentialquotienten die Größe der Leckrate abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ermittlung der Größe der Leckrate anstelle des zweiten zeitlichen Differentialquotienten ein zeitlicher Differenzquotient verwendet wird, dessen Zeitdifferenz klein gegen die Meßzeit ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Füllzeit der Hohlräume des Prüfobjektes beendet wird, wenn der Fülldruck des die Hohlräume auffüllenden Fluids einen bestimmten Wert erreicht hat.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des die Leckrate verkörpernden Signals in einem Zeitbereich gemessen wird, innerhalb dessen der zweite zeitlicheDifferentialquotient des augenblicklichen Prüfdruckes zwischen 90% und 50% seines Anfangswertes liegt.

6. Prüfgerät zum Prüfen von Hohlräumen auf Leckverluste mit Hilfe eines Fluids gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Druckquelle, mindestens einem Schaltventil und mindestens einem Schaltgeber zwecks gesteuerten Ausfüllens des jeweils zu messenden Hohlraumes des Prüfobjektes sowie mit auf die jeweilige Leckrate ansprechenden Schaltmitteln zur Auslösung von Anzeige-, Steuer- und ähnlichen Mitteln, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes druckmessendes Schaltglied (DS 1) mit seinem Druckeingang (E 1) mit dem zu prüfenden Hohlraum des Prüfobjektes (Ob) direkt und mit seinem als elektrischer Signalgeber ausgebildeten Schaltaus­ gang (G 1) mit dem die Fluidzufuhr zum Prüfling (Ob) steuernden Schaltventil (MV) verbunden ist, während der Ausgang (A 1) mit dem Eingang (E 2) eines weiteren Schaltglie­ des (DS 2) zwecks Ermittlung des ersten zeitlichen Differen­ tialquotienten der im Prüfobjekt auftretenden Druckänderung verbunden ist, dessen Ausgang (A 2) zum Eingang (E 3) eines dritten Schaltgliedes (DS 3) führt, das der Ermittlung des zweiten zeitlichen Differentialquotienten der im Prüfobjekt auftretenden Druckänderung dient, und dessen als elektrischer Signalgeber ausgebildeter Schaltausgang (G 3) den ebenfalls als elektrischer Signalgeber ausgebildeten Schaltausgang (G 2) des zweiten Schaltgliedes (DS 2) zur Auswertung der dort anstehenden Signalgröße freigibt.

7. Prüfgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schaltglied (DS 1) als Manometer mit digitalen und/oder analogen Ausgang ohne reibende mechanische Signalübertragungsglieder und mit einstellbaren Grenzwertkontakten ausgebildet ist.

8. Prüfgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltglieder (DS 2, DS 3) als Differenzierglieder ohne reibende mechanische Signalübertra­ gungsglieder ausgebildet sind.

9. Prüfgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste druckmessende Schaltglied (DS 1) ein Differenzdruck messendes Schaltglied mit zwei Meßkammern ist, dessen eine Meßkammer mit dem zu prüfenden Hohlraum des Prüfobjektes und dessen andere Meßkammer mit einem konstanten Druck beaufschlagt sind.