DE4306232A1 - Phase-coupled coherent electromagnetic field leakage detector - using test fluid having dielectric susceptibility which exhibits nonlinear dependence on applied coherent EM field which produces spatially varying optical density in gas - Google Patents
Phase-coupled coherent electromagnetic field leakage detector - using test fluid having dielectric susceptibility which exhibits nonlinear dependence on applied coherent EM field which produces spatially varying optical density in gasInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anord
nung zur Dichtheitsprüfung von Behältern und/oder Ge
häusen, wonach ein derartiges Prüfobjekt mit einem Test
fluid beaufschlagt wird, das gegenüber der Umgebung un
ter erhöhtem Druck steht, sodaß bei Vorhandensein ei
nes Lecks Fluid aus dem Prüfobjekt austritt und hieraus
das Leck erkannt wird.
Zur Dichtheitsprüfung von Behältern, die bei bestim
mungsgemäßem Gebrauch mit einer Flüssigkeit verfüllt
sind, z. B. von Wasser- und Ölkühlern für Kraftfahrzeu
ge, ist es bekannt, die Kühler an den Ein- und Auslauf
stutzen mittels Gummistopfen abzudichten und an den
Entlüftungsnippel eine Druckluftleitung anzuschließen,
wonach der Kühler mittels einer Hubvorrichtung in das
Wasser eines Prüfbeckens eingetaucht und mit Druckluft
beaufschlagt wird. Etwaige Lecks werden von einem mit
der Prüfung betrauten Beobachter anhand aufsteigender
Blasen festgestellt, die durch das Austreten von Druck
luft an dem jeweiligen Leck entstehen. Die Markierung
der Leckstellen, deren Abdichtung durch späteres Verlö
ten erfolgt, kann erst nach dem Herausnehmen der Kühler
aus dem Prüfbecken erfolgen, wobei es unvermeidlich
ist, daß Fehlmarkierungen vorgenommen werden, oder, um
solche zu vermeiden, relativ große Flächenbereiche mar
kiert - z. B. mittels eines Kreidestiftes eingekreist -
werden müssen. Eine Nachbearbeitung durch Verlöten der
Leckstellen kann erst erfolgen, nachdem die Kühler ge
trocknet sind, was in der Regel durch Ausblasen mit
Druckluft und Trocknung in einer Heißluft-Trockenstrec
ke vorgenommen wird. Der durch Nachlöten oder mit Hilfe
eines Dichtungsmittels reparierte Kühler muß dann er
neut zu der Prüfstation gebracht und einem weiteren
Lecktest unterworfen werden. In Anbetracht der erwähn
ten Fehlermöglichkeiten sind oftmals mehrere Wiederho
lungen solcher Lecktests erforderlich. Die hierbei
durchzuführenden Handhabungen sind nicht nur umständ
lich und zeitaufwendig sondern auch körperlich sehr
schwer. Auch die im Anschluß an den Lecktest durchzu
führenden Trocknungsvorgänge sind arbeits- und platz
aufwendig und mit einem erheblichen Energieeinsatz ver
knüpft.
Ähnlich liegen die Probleme bei der Dichtheitsprüfung
von Ventil- oder Pumpen-Gehäusen, die für pneumatische
oder hydraulische Aggregate und Anlagen bestimmt sind,
bei denen die Gehäuse unter hohen, statischen Fluid-
Druck gesetzt werden und aus einem über längere Zeit zu
beobachtenden Druckabfall auf das Vorhandensein etwai
ger Lecks geschlossen wird.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu
grunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Dicht
heitsprüfung mit wesentlich geringerem Zeitaufwand und
hinsichtlich der Lokalisierung eines Lecks präziser
durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1, dem
Grundgedanken nach, sowie in Ausführungsvarianten und
Ausgestaltungen desselben durch die Merkmale der Unter
ansprüche 2 bis 16 und hinsichtlich der Anordnung durch
die Merkmale des Anspruchs 17 und in Ausgestaltungen
durch die weiteren Unteransprüche 18 bis 23 gelöst.
Hiernach wird - gemäß der Erfindung - zur Detektion von
Leckstellen des Prüfobjektes ein Testfluid verwendet,
dessen dielektrische Suszebtilität von derjenigen der
das Prüfobjekt umgebenden Atmosphäre - Luft - verschie
den ist und eine ausgeprägt nichtlineare Abhängigkeit
von der Feldstärke eines elektromagnetischen Wellenfel
des hat, so daß insoweit die Möglichkeit von Streu-
und/oder Absorptionsprozessen in dem Testfluid besteht,
wenn dieses einem elektromagnetischen Wellenfeld als
Testfeld ausgesetzt wird, anhand derer das Fluid nach
weisbar ist; als in diesem Sinne erregendes elektromag
netisches Wellenfeld wird ein kohärentes Feld vorzugs
weise hoher Feldstärke benutzt, das dem Testfluid in
dem Untersuchungsvolumen, in das das Testfluid gelangt,
falls Leckstellen vorhanden sind, eine räumlich defi
niert variable Struktur seiner optischen Dichte auf
prägt. Eine derartige Struktur, die unter Ausnutzung
des gegebenenfalls ausgetretenen Testfluids als Träger
durch dessen Wechselwirkung mit einem kohärenten elek
tromagnetischen Wellenfeld, z. B. einem Laser-Lichtbün
del, entsteht, wirkt als phasenkonjugierendes Element
- als "phasenkonjugierter Spiegel" -, der, allgemein
ausgedrückt, die Eigenschaft hat, aus einem auf ihn
auftreffenden kohärenten Lichtstrom einen zweiten kohä
renten Lichtstrom zu erzeugen, dessen Phase mit derje
nigen des erstgenannten Lichtstromes konjugiert ist.
"Konjugiert" bedeutet hier in einer definierten Phasen
beziehung stehend, derart, daß die beiden Lichtströme
eine "konjugierte" jedoch verschiedene Phase haben und
daher voneinander separierbar sind, z. B. aufgrund ihrer
verschiedenen - insbesondere entgegengesetzten - Aus
breitungsrichtungen oder aufgrund ihrer verschiedenen
Polarisation, so daß es immer möglich ist, den zu dem
Primärlichtstrom phasenkonjugierten Lichtstrom von dem
erstgenannten räumlich zu trennen und gesondert nachzu
weisen und dadurch die - erfindungsgemäß ausgenutzte -
Möglichkeit gewährleistet ist, das Testfluid aus einer
Detektion des phasenkonjugierten Lichtstromes nachzu
weisen.
Die Nachweis-Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Ver
fahrens kann dadurch erheblich gesteigert werden, daß
als Testfluid ein Gas verwendet wird, das in der Umge
bungsatmosphäre, in welcher Lecktests durchgeführt wer
den, nicht oder allenfalls in sehr kleinen Mengen vor
handen ist, so daß der im Untersuchungsvolumen durch
das Strahlungsfeld und dessen Wechselwirkung mit dem
Testfluid entstehende phasenkonjugierte Spiegel im we
sentlichen nur durch das aus dem Prüfobjekt austretende
Testfluid entsteht.
Im Zusammenhang hiermit ist es besonders günstig, wenn
das Anregungs-Wellenfeld eine Frequenz bzw. Frequenz-
Verteilung um eine Mittenfrequenz hat, welche innerhalb
der Bandbreite einer Absorptionslinie eines Absorptions-
Bandensystems des Testfluids liegt, so daß, eine hin
reichend hohe Intensität des Anregungs-Wellenfeldes
vorausgesetzt, eine intensitäts-induzierte Verschiebung
der Absorptionslinie des Testfluids möglich wird und
dadurch eine verstärkte Wechselwirkung des Anregungs-
Wellenfeldes mit dem Testfluid erzielbar ist. Hierbei
ist es am günstigsten, wenn der Frequenzabstand der
Mittenfrequenzen der Absorptionslinie und des Anre
gungs-Wellenfeldes möglichst gering ist.
Das Verfahren kann im Sinne eines stimulierten Raman
effekts auch in der Weise durchgeführt werden, daß ein
Anregungs-Wellenfeld mit einer Frequenz benutzt wird,
die deutlich höher ist als charakteristische Eigenfre
quenzen der Moleküle des Testfluids, bei denen dieses
elektromagnetische Strahlung emittieren und/oder absor
bieren kann, insbesondere höher als die für diese Mole
küle charakteristischen Schwingungs-Eigenfrequenzen,
und daß eine Detektions-Einrichtung verwendet wird, de
ren spektrale Empfindlichkeit bei der Frequenz des An
regungs-Wellenfeldes vernachlässigbar gering ist und
erst in einem Frequenzabstand von der Frequenz des An
regungsfeldes, der annähernd einer der Eigenfrequenzen
der Moleküle des Testfluids vorzugsweise der niedrig
sten dieser Eigenfrequenzen, entspricht einen hohen
Wert erreicht. Die Detektoranordnung spricht bei dieser
Art der Durchführung des Verfahrens nur auf ein elek
tromagnetisches Wellenfeld an, das durch die Wechsel
wirkung des Anregungsfeldes mit dem Testfluid erzeugt
worden ist und hinsichtlich der Struktur seiner (spek
tralen) Frequenzverteilung ausschließlich für das Test
fluid charakteristisch ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge
eignete phasenkonjugierte elektromagnetische Wellenfel
der können auch dadurch erzeugt werden, daß das Unter
suchungsvolumen mit einem Anregungsfeld hoher Leistung
bestrahlt wird, wobei ein sich in entgegengesetzter
Richtung ausbreitendes phasenkonjugiertes Wellenfeld
entsteht, das für die Detektion benutzbar ist oder auch
durch optisches Pumpen und daraus resultierende stimu
lierte Emission elektromagnetischer Strahlung.
In spezieller Verfahrensweise wird zur Erzeugung des
für die Detektion ausgenutzten phasenkonjugierten Wel
lenfeldes das Testfluid zwei - kohärenten - elektromag
netischen Anregungs-Wellenfeldern gleicher Ausbreitungs
richtung aber verschiedener Frequenzen ω1 und ω2 ausge
setzt, wobei das resultierende phasenkonjugierte elektro
magnetische Wellenfeld dieselbe Ausbreitungsrichtung
hat wie die Anregungs-Wellenfelder, jedoch eine Frequenz
ωpk, die dem Betrag der Differenz |ω1-ω2| der Frequenzen
ω1 und ω2 der Anregungs-Wellenfelder entspricht.
Ist hierbei die Frequenz ω1 des einen Anregungsfeldes
größer als die Frequenz ω2 des anderen Anregungsfel
des und gleichzeitig auch die Frequenz ωpk=ω1-ω2
kleiner als die Frequenz ω2 des niedriger-frequenten
Anregungsfeldes, so ist es vorteilhaft, wenn zur Aus
kopplung mindestens eines Teils des phasenkonjugierten
Wellenfeldes aus dem dieses und die Anregungs-Wellen
felder umfassenden Gesamt-Wellenfeld ein Kantenfilter
verwendet wird, dessen Transmissionsgrad erst ab einer
Frequenz ωτ einsetzt, welche der Relation
ω2<ωτ<ω1-ω2
genügt. Ein solches Kantenfilter ist sehr einfach, z. B. als dichroitischer Spiegel realisierbar.
ω2<ωτ<ω1-ω2
genügt. Ein solches Kantenfilter ist sehr einfach, z. B. als dichroitischer Spiegel realisierbar.
Genügen andererseits die Frequenzen ω1 und ω2 der
beiden Anregungs-Wellenfelder und die Frequenz ωpk=
ω1-ω2 des phasenkonjugierten Wellenfeldes der Be
ziehung:
ω1<ωpk<ω2,
so ist es vorteilhaft, wenn zur Auskopplung des für die Detektion vorgesehenen Teils des phasenkonjugierten Wel lenfeldes aus dem Gesamtwellenfeld ein Bandfilter be nutzt wird, dessen maximaler Transmissionsgrad bei der Frequenz ωpk liegt, um eine optimale Nachweis-Empfind lichkeit für das phasenkonjugierte Wellenfeld zu erzie len.
ω1<ωpk<ω2,
so ist es vorteilhaft, wenn zur Auskopplung des für die Detektion vorgesehenen Teils des phasenkonjugierten Wel lenfeldes aus dem Gesamtwellenfeld ein Bandfilter be nutzt wird, dessen maximaler Transmissionsgrad bei der Frequenz ωpk liegt, um eine optimale Nachweis-Empfind lichkeit für das phasenkonjugierte Wellenfeld zu erzie len.
In beiden vorgenannten Fällen können zur Detektion des
phasenkonjugierten Wellenfeldes auch aus der Spektrosko
pie bekannte Spektrometer verwendet werden, die mit in
weiten Grenzen einstellbarer spektraler Empfindlichkeit
auf die Frequenz ωpk des phasenkonjugierten Wellenfel
des einstellbar sind.
Genügen die Frequenzen ω1 und ω2 der Anregungs-Wellen
felder der Beziehung ω1=2ω2 mit der Folge, daß auch
gilt: ωpk=ω2, so kann, einen definierten Polarisations
zustand des phasenkonjugierten Wellenfeldes vorausgesetzt,
dieses aus dem Gesamtwellenfeld auf einfache Weise
mittels eines polarisationsempfindlichen Strahlenteilers
ausgekoppelt werden, der nur für elektromagnetische
Strahlung mit dem Polarisationszustand, den das phasen
konjugierte Wellenfeld hat, reflektierend ist.
Wenn, gemäß einer weiteren Durchführungsart des erfin
dungsgemäßen Verfahrens, das Testfluid in dem Untersu
chungsvolumen zwei Anregungs-Wellenfeldern hoher Inten
sität und gleicher Ausbreitungsrichtung jedoch ver
schiedener Frequenzen ω1 und ω2 und zusätzlich ei
nen dritten elektromagnetischen Wellenfeld geringerer In
tensität als Testfeld ausgesetzt wird, dessen Ausbrei
tungsrichtung streifend zu derjenigen der Anregungs-
Wellenfelder ist, d. h. unter einem sehr kleinen Winkel
zur Ausbreitungsrichtung der Anregungs-Wellenfelder
verläuft, so entsteht ein zu dem Testfeld phasenkonju
giertes Wellenfeld, das unter einem kleinen Winkel zur
Ausbreitungsrichtung der Anregungs-Wellenfelder aus dem
Untersuchungsvolumen austritt und der Detektion unter
worfen werden kann. Eine für diese Art der Verfahrens
durchführung, die einer Vier-Wellen-Mischung in "Vor
wärts-Richtung" entspricht, geeignete geometrisch-opti
sche Anordnung hat jedoch - wegen des streifenden Ein
falls des Testfeldes und des ebenfalls streifenden Aus
tritts des mit diesem phasenkonjugierten Wellenfeldes in
das bzw. aus dem Gesamt-Anregungs-Wellenfeld einen er
heblichen Raumbedarf, der zu ungünstigen Messbedingun
gen führen könnte.
Wesentlich günstiger ist es daher, wenn, entsprechend
einer bevorzugten Durchführungsart des erfindungsge
mäßen Verfahrens, im Sinne einer Vier-Wellen-Mischung
in "Rückwärts"-Richtung das Testfluid in dem Untersu
chungsvolumen zwei kohärenten Anregungs-Wellenfeldern
gleicher Frequenz und hoher Intensität, jedoch entge
gengesetzter Ausbreitungsrichtung ausgesetzt wird, aus
denen ein stehendes Wellenfeld resultiert, sowie einem
dritten Wellenfeld derselben Frequenz jedoch geringerer
Intensität als Testfeld, dessen Ausbreitungsrichtung in
einem beliebigen Winkel zu derjenigen der Anregungs-
Wellenfelder stehen kann, vorzugsweise unter einem Win
kel zwischen 45° und 80°, wobei ein mit dem Testfeld
phasenkonjugiertes Wellenfeld entsteht, das die zu dem
Testwellenfeld entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung
hat, derart, daß der Verlauf seiner Wellenfronten kom
plementär zu demjenigen des Testfeldes ist, d. h., wenn
dieses Testfeld ein divergentes Bündel mit konvex-kugel
förmigen Wellenfronten ist, das phasenkonjugierte Feld
ein konvergentes Bündel mit kugelförmig-konkaven Wellen
fronten ist, das am Ort der Quelle des Testfeldes fo
kussiert würde.
Bei dieser Verfahrensweise ist das Untersuchungsvolumen
durch das Schnittvolumen des - stehenden - Anregungs-
Wellenfeldes mit demjenigen des Testfeldes definiert
und kann daher durch geeignete Wahl der Bündelquer
schnitte auf einfache Weise begrenzt werden.
Besonders vorteilhaft bei dieser Verfahrensweise ist
deren Unempfindlichkeit gegen Hintergrundstrahlung oder
Strahlung aus dem Untersuchungsvolumen benachbarten
Raumbereichen, da das für den Nachweis des Testfluids
ausgenutzte, zum Testwellenfeld phasenkonjugierte Wellen
feld nur im Untersuchungsvolumen erzeugt werden kann
und dieses auf einfache Weise durch die Vorgabe der
Strahlungsbündelquerschnitte definiert begrenzbar ist.
Es ist daher ohne weiteres möglich, als Testfluid ein
Gas zu verwenden, das in nicht zu hoher Konzentration
auch in der Luft vorhanden ist, insbesondere Kohlendio
xid (CO2), das insbesondere im nahen infraroten Spek
tralbereich durch Schwingungs- und Rotationsprozesse
des CO2-Moleküls bedingte Bandensysteme hat, welche für
die Anregung nicht linearer optische Effekte geeignet
sind, wobei als Strahlungsquelle sowohl für die Erzeu
gung der Anregungs-Wellenfelder und des Test-Wellenfel
des ein CO2-Laser geeignet ist, der im interessierenden
Spektralbereich eine hohe Strahlungsleistung zu liefern
in der Lage ist und in Frequenzbereichen emittiert, die
eine hinreichende Überlappung mit denjenigen Frequenz
bereichen haben, bei denen das CO2-Molekül absorbieren
kann.
Wenn die Intensität des Anregungs-Wellenfeldes bzw. der
Anregungs-Wellenfelder und/oder eines Test-Wellenfeldes
veränderbar ist/sind, vorzugsweise kontinuierlich ver
änderbar, mit der Folge, daß auch die Intensität des
für die Detektion ausgenutzten phasenkonjugierten Wel
lenfeldes eine entsprechende Änderung erfährt, wobei
die Intensitätsvariation vorzugsweise zyklisch nach ei
ner definiert vorgegebenen Zeitfunktion erfolgt, vor
zugsweise zeitlinear innerhalb der Variationszyklen und
zweckmäßigerweise nach einer Rampenfunktion, in deren
Verlauf zwischen ansteigenden und abfallenden Phasen die
Intensität des jeweiligen Wellenfeldes auf einem nied
rigen bzw. einem hohen Wert für eine definierte, rela
tiv zu den Änderungsphasen kurze Zeitspanne konstant ge
halten wird, um Ein- oder Überschwingvorgänge abklingen
zu lassen, so kann durch eine phasenempfindlich gleich
richtende Verarbeitung des Ausgangssignals des zum Nach
weis des optisch phasenkonjugierten Wellenfeldes vorge
sehenen Detektors eine zusätzliche Steigerung der Nach
weis-Empfindlichkeit erzielt werden.
Derartige Änderungsphasen bieten auch die Möglichkeit,
mindestens einmal und vorzugsweise fortlaufend den Dif
ferentialquotienten dIpk/dIA und/oder den Differential
quotienten dIpk/dIT zu ermitteln, d. h. die ersten Ab
leitungen der Intensität des phasenkonjugierten Wellen
feldes nach der Anregungs-Intensität IA bzw. der Inten
sität IT des Testfeldes und diese Differentialquotien
ten mit einem Referenzwert zu vergleichen, der für den
Fall gilt, daß in das Untersuchungsvolumen aus einem zu
prüfenden Testobjekt entweichendes Testfluid noch nicht
eingeströmt ist. Aus den Beträgen der solchermaßen er
mittelten Differentialquotienten kann außerdem - indi
rekt - auch auf die Größe eines gegebenenfalls aufge
tretenen Lecks geschlossen werden.
Eine Erhöhung der Nachweis-Empfindlichkeit des erfin
dungsgemäßen Verfahrens ist in einer bevorzugten Ausge
staltung desselben auch dadurch erzielbar, daß inner
halb von Änderungsphasen des jeweiligen Anregungs
und/oder Testfeldes mehrfach und vorzugsweise fortlau
fend der Differentialquotient d2Ipk/dI A und/oder der
Differentialquotient d2Ipk/dI2 T ermittelt wird. Sind
diese Differentialquotienten von Null verschieden, so
ist dies ein sicheres Indiz dafür, daß sich die Konzen
tration des Testfluids im Untersuchungsvolumen ändert,
unabhängig davon, welche Menge an Test-Fluid vor Beginn
eines Testzyklus im Untersuchungsvolumen enthalten war.
Insbesondere diese Verfahrensweise ermöglicht es, als
Testfluid ein Gas zu verwenden, das - in nicht zu hohen
Konzentrationen - ohnehin in der Umgebungsatmoshäre des
Meßbereiches vorhanden ist, und trotzdem zuverlässig
entscheiden zu können, ob das Testobjekt ein Leck auf
weist oder nicht.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete optische Anordnung zur Dichtheitsprüfung von
Behältern, bei der zur Erzeugung eines für den Nachweis
des Testfluids in einem Untersuchungsvolumen als Anzei
ge für das Vorhandensein eines Lecks zwei Anregungs-
Wellenfelder und ein Testwellenfeld miteinander sowie
mit dem Testfluid in Wechselwirkung treten, wobei der
spektrale Bereich, in dem die Anordnung betreibbar ist,
vorzugsweise im nahen infraroten Bereich (1 bis 15 µm)
liegt, umfaßt zumindest die folgenden Funktionskompo
nenten:
- - eine als Laser ausgebildete Strahlungsquelle, die ein kohärentes Wellenfeld mit parallelen, ebenen Wellenfronten aussendet,
- - einen als teildurchlässiger Spiegel mit einem Refle xionsvermögen zwischen 95% und 98% und demgemäß einem Transmissionsvermögen zwischen 5% und 2% ausgebildeten Reflektor, der den an ihm reflektier ten Teil des von dem Laser ausgesandten Wellenfeldes zur Strahlungsquelle hin zurückreflektiert, so daß durch Interferenz mit dem von dem Laser ausgesandten Wellenfeld ein stehendes Wellenfeld entsteht,
- - eine Umlenkspiegel-Anordnung, mittels derer minde stens ein Teil des von dem teildurchlässigen, jedoch hochreflektierenden Spiegel durchgelassenen Wellen feldes als Testwellenfeld in einen Raumbereich um lenkbar ist, in dem - zwischen der Strahlungsquelle und dem teilreflektierenden Spiegel - das stehende Wellenfeld vorliegt und
- - einen weiteren teildurchlässigen Spiegel, vorzugs weise einen solchen, dessen Transmissionsvermögen und Reflexionsvermögen jeweils etwa 50% betragen, wobei dieser teildurchlässige Spiegel im Ausbrei tungspfad des Testwellenfelds sowie in dem mit diesem geometrisch zusammenfallenden Ausbreitungsbereich des aus der Wechselwirkung des Testwellenfeldes mit in den sowohl dem stehenden Wellenfeld als auch dem Testwellenfeld ausgesetzten Bereich gelangtem Test fluid resultierenden phasenkonjugierten Wellenfel des angeordnet ist, wobei mittels dieses teildurch lässigen Spiegels ein ca. 50%-iger Anteil des pha senkonjugierten Wellenfeldes zu einer Detektor-An ordnung hin umlenkbar ist, die den Nachweis des pha senkonjugierten Wellenfeldes und damit des Test fluids im Untersuchungsvolumen vermittelt.
Wenn bei dieser Anordnung ein Detektor-Ausgangssignal
auftritt, dann ist dies zumindest ein sicheres Indiz
dafür, daß ein Leck an dem Testobjekt vorliegt. Wenn,
in Ausbreitungsrichtung des Testwellenfeldes gesehen,
die Projektion des Schnittvolumens des Testwellenfeldes
und des - stehenden - Anregungswellenfelds klein gegen
die Begrenzungsfläche des Testobjekts ist, die dem Unter
suchungsvolumen zugewandt ist, so ist eine Lokalisierung
des Lecks, aus dem in einen begrenzten Raumbereich Test
fluid austreten kann, auf einfache Weise dadurch möglich,
daß mindestens einer der Umlenkspiegel, mittels derer
das Testwellenfeld in den Bereich des - stehenden -
Anregungs-Wellenfeldes umlenkbar ist, um eine senkrecht
zur Ausbreitungsebene des Testwellenfeldes verlaufende
Achse mindestens innerhalb eines begrenzten Drehwinkel
bereiches drehbar ist und das Testobjekt parallel zu
der Drehachse dieses drehbaren Spiegels hin- oder her-
bzw. auf- und abverfahrbar ist. Es ist dann in einem
durch die vertikale und horizontale Ausdehnung des
Schnittvolumens des stehenden Anregungs-Wellenfeldes
und des Testfeldes bedingten Rastermaß eine gleichsam
"punktweise" Abtastung des Gesamt-Flächenbereiches mög
lich, innerhalb dessen an einer dem Untersuchungsvolu
men zugewandten Begrenzungsfläche des Testobjekts Lecks
auftreten können.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der drehbare
Spiegel als ein in einer definierten Drehrichtung kon
tinuierlich antreibbarer Polygonspiegel ausgebildet
ist, dessen reflektierende Flächen in axialsymmetri
scher Anordnung um die Drehachse des Spiegels gruppiert
sind, so daß die Zeilen-Abtastung stets in derselben
Richtung erfolgt und daher bei kontinuierlicher oder
schrittweiser Bewegung des Testobjekts parallel zur
Drehachse des Spiegels jeder Rasterbereich nur einmal
erfaßt wird.
In Kombination mit dreh- oder schwenkbaren Umlenkspie
geln zu einer zeilenweisen Verschiebung des jeweiligen
Untersuchungsvolumens ist es besonders zweckmäßig, wenn
der zur Umlenkung eines Teils des mit dem Testwellen
feld phasenkonjugierten Wellenfeldes vorgesehene, wei
tere teildurchlässige Spiegel zwischen dem drehbaren
Spiegel und dem das Testwellenfeld zu dem drehbaren
Spiegel hin umlenkenden Spiegel angeordnet ist. Dadurch
kann der teildurchlässige Spiegel mit günstig geringen
Abmessungen realisiert werden, und es wird auch vermie
den, daß sein Transmissionsvermögen aufgrund sich än
dernder Einfallswinkel Änderungen unterworfen ist.
In Kombination hiermit ist es besonders vorteilhaft,
wenn der teildurchlässige Spiegel mit derjenigen Orien
tierung seiner teilreflektierenden Fläche in den Strah
lengang der Nachweis-Anordnung eingefügt ist, daß die
Ausbreitungsrichtung des an dem teildurchlässigen Spie
gel (teil)reflektierten, phasenkonjugierten Wellenfel
des parallel oder annähernd parallel zur zentralen Ach
se des Anregungs-Wellenfeldes verläuft. Die Gesamtanord
nung ist dann, rechtwinklig zur zentralen Achse des
Anregungs-Wellenfeldes gesehen, mit günstig geringen
Abmessungen realisierbar.
Für die insoweit erläuterten Gestaltungen der optischen
Nachweis-Anordnung ist charakteristisch, daß zum Nach
weis des aus verschiedenen Untersuchungsvolumina kom
menden phasenkonjugierten Wellenfeldes nur ein einziger
photoelektrischer Detektor erforderlich ist, der daher
hinsichtlich der Ausnutzung empfindlichkeits-steigernder
Einrichtungen, z. B. von Kühleinrichtungen oder dergleichen,
die einen erhöhten Raumbedarf bedingen, keinen prin
zipiellen Einschränkungen unterworfen ist.
Wird hingegen das Schnittvolumen des Test- und des An
regungs-Wellenfeldes dadurch vergrößert, daß das zur
Erzeugung des aus dem Untersuchungsvolumen austretenden
phasenkonjugierten Wellenfeldes ausgenutzte Testwellen
feld ein durch Fokussierung eines primär als Parallel
bündel erzeugten Wellenfeldes auf eine Blendenöffnung
entstandenes divergentes Wellenfeld ist, so kann zum
einen sehr viel schneller und zuverlässiger eine Aussa
ge darüber gewonnen werden, ob überhaupt ein Leck vor
handen ist, und es kann weiter, wenn die Detektoranord
nung als Matrix-Anordnung einer Vielzahl von Detektoren
ausgebildet ist, deren Anordnung nach Zeilen und Spal
ten identifizierbar ist, aus dem Ansprechen der einzel
nen Detektoren auch darauf geschlossen werden, wo ein
Leck angeordnet ist. Dadurch wird eine wesentlich
schnellere - parallele - Verarbeitung der aus einem
großen Volumenbereich reflektierten phasenkonjugierten
Wellenfeldkomponenten erzielt und damit auch eine be
sonders rationelle Art der Leckerkennung. Eine diesbe
züglich geeignete Detektoranordnung ist beispielsweise
eine CCD-Kamera, die für den in Frage kommenden Spek
tralbereich, vorzugsweise den nahen IR-Bereich mit ho
her Empfindlichkeit realisierbar ist. Mit einer solchen
Detektor-Anordnung können natürlich auch Teilvolumina
betrachtet werden. Diese Art der "Betrachtung" eines
Testobjekts zum Nachweis von Leckstellen ist insbesondere
dann zweckmäßig, wenn die Abmessungen des Testobjekts
etwa den Bündelquerschnitten des Anregungs-Wellenfeldes
und des Testwellenfeldes im Untersuchungsvolumen ent
sprechen.
Von einer Anordnung zur Dichtheitsprüfung von Behäl
tern, Ventil-Gehäusen oder dergleichen ausgehend, bei
der ein Leck durch den Nachweis eines Testfluids in
einem von dem Prüfobjekt entfernt angeordneten Unter
suchungsvolumen erfaßt wird, wobei der Nachweis des
Testfluids durch Detektion eines im Untersuchungsvolu
men phasenkonjugiert reflektierten Anteils eines elek
tromagnetischen Testfeldes erfolgt, dem das Testfluid
in dem Untersuchungsvolumen gleichzeitig mit einem ko
härenten elektromagnetischen Anregungswellenfeld ausge
setzt wird, ist ein solches Leck, wenn es auf dessen
genaue Lokalisierung nicht ankommt, dadurch sehr schnell
erfaßbar und der Nachweisvorgang auch sehr gut selbst
tätig steuerbar, daß eine das Prüfobjekt aufnehmende
evakuierbare Testkammer vorgesehen ist, innerhalb derer
das Prüfobjekt mit dem Testfluid beaufschlagbar ist,
entweder derart, daß in die Testkammer eingeleitetes
Testfluid über ein Leck des Prüfobjekts in dieses über
strömt, oder derart, daß in das Testobjekt eingeleite
tes Testfluid aus diesem in die Testkammer überströmt,
daß weiter eine das Untersuchungsvolumen begrenzende,
dem Anregungswellenfeld und dem Testfeld aussetzbare
Nachweiskammer vorgesehen ist, der über eine Testfluid
leitung der über das Leck des Testobjekts fließende
Testfluid-Strom zugeleitet wird, und daß eine Vakuum
pumpe vorgesehen ist, mittels derer in der Nachweiskam
mer ein definierter, dem Betrage nach niedriger Druck,
in der Regel ein Druck im Bereich zwischen 0,2 und 2
bar, vorzugsweise um 1 bar einstellbar ist, das heißt
ein Druck, bei dem sich, wenn dieser überwiegend durch
den Partialdruck des Testfluids bestimmt ist, ein im
vorstehenden Sinne erläuterter phasenkonjugierter Spie
gel sehr gut ausbilden kann.
Ist die Testfluidleitung, für die der Testfluidstrom
zur Nachweiskammer gelangt, mit einer Drossel, vorzug
sweise einer solchen mit einstellbarem Strömungswider
stand versehen, so ist - durch Einstellung dieses Strö
mungswiderstandes - auf einfache Weise die Zeitspanne
vorgebbar, nach welcher bei einer vorgegebenen, z. B.
tolerierbaren Größe eines Lecks, eine phasenkonjugierte
Reflexion des Testwellenfeldes im Untersuchungsvolumen
"erstmalig" eintreten kann und dadurch sehr schnell
eine zuverlässige Aussage darüber gewinnbar, ob das
Testobjekt bestimmten vorgegebenen Qualitätsanforderun
gen genügt oder nicht.
Eine zum Nachweis eines Lecks erforderliche Mindest-
Prüfzeitspanne ist dadurch erheblich verkürzbar, daß
der von der Nachweiskammer zur Saugseite der zur Eva
kuierung der Nachweiskammer vorgesehenen Pumpe führende
Testfluid-Strömungspfad über ein Molekularsieb führt,
das für die Testfluid-Moleküle undurchlässig ist, so
daß diese sich relativ schnell in der Nachweiskammer
anreichern können.
Insbesondere dann, wenn das Volumen der Testkammer und/
oder des Prüfobjekts, aus dem das Testfluid der Nach
weiskammer zugeleitet wird, deutlich größer ist als
deren Volumen, so kann eine Verkürzung der Zeitspanne,
die abgewartet werden muß, bis sich der für den Nach
weis erforderliche phasenkonjugierte Spiegel ausbilden
kann, auch dadurch erheblich verkürtzt werden, daß eine
Förderpumpe vorgesehen ist, durch deren Aktivierung
mindestens zeitweise ein erhöhter Testfluid-Strom zu
der Nachweiskammer erzielbar ist.
Unter der Voraussetzung, daß als Testfluid ein Gas ver
wendet wird, dessen Moleküle deutlich schwerer sind als
die übrigen Moleküle des Testgas-Luftgemisches die aus
der Testkammer oder dem Testobjekt weggefördert werden
müssen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die zusätz
liche Förderpumpe als Molekularpumpe ausgebildet ist,
die mit einem gleichsam selektiven Fördervermögen für
das Testfluid betreibbar ist.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Anordnung ist ein Be
triebsart-Umschaltventil vorgesehen, in dessen einer
Funktionsstellung die Testfluid-Zufuhr über das Test
objekt erfolgt und der zum Lecknachweis ausgenutzte
Testfluid-Strom durch Evakuierung der Testkammer er
zielbar ist, und in dessen anderer Funktionsstellung
die Testfluid-Zufuhr über die Testkammer und die Erzeu
gung des zum Lecknachweis ausgenützten Testfluid-Stro
mes durch Evakuierung des Testobjektes erfolgt. In die
ser Gestaltung ist die Anordnung z. B. auch zur Dicht
heitsprüfung von Flansch-Verbindungen geeignet, deren
Dichtheit unter "einseitigen" Druckverhältnissen zu
prüfen ist.
Zur Vermeidung störender Reflexe und Streueffekte im
optischen Strahlengang der Anordnung ist es besonders
vorteilhaft, wenn die reflektierenden Flächen zur Ein
kupplung des Anregungswellenfeldes und des Testwellen
feldes in das Untersuchugnsvolumend der Testkammer so
wie zur Auskopplung des Untersuchungsvolumen phasenkon
jugiert reflektierten Nachweis-Wellenfeldes vorgesehe
ner Ein- und Austrittsfenster der Nachweiskammer gegen
über der Ausbreitungsebene der das Anregungswellenfeld,
das Testfeld und das phasenkonjugiert reflektierte Wel
lenfeld bildendenen Lichtbündel unter einem von 190°
verschiedenen Winkel verlaufen und mit dieser Ausbrei
tungsebene einen Winkel zwischen 70 und 80°, vorzugs
weise einen Winkel von 75° einschließen, so daß an die
sen Fenstern reflektierte Strahlung gleichsam "nach
oben" oder "nach unten" aus dem Nachweis-Strahlengang
abgelenkt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung
dargestellter, spezieller Ausführungsbeispiele opti
scher Anordnungen zur Dichtheitsprüfung und diesbezüg
lich bevorzugter Verfahrensweisen näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer mit Pha
senkonjugation elektromagnetischer Wellenfelder
zum Nachweis eines Testfluids arbeitenden opti
schen Anordnung zur Dichtheitsprüfung an einem
Behälter, dessen geometrische Abmessungen etwa
den Bündelquerschnitten auf ein Testfluid ein
wirkender elektromagnetischer Wellenfelder ent
sprechen, in schematisch vereinfachter perspek
tivischer Darstellung;
Fig. 2 einen Strahlengang einer zu der Anordnung gemäß
Fig. 1 funktionsanalogen Anordnung zur Dicht
heitsprüfung an einem Behälter, dessen räumli
che Abmessungen deutlich größer sind als die
Bündelquerschnitte der elektromagnetischen Wel
lenfelder,
Fig. 3 und 4 schematisch vereinfachte Strahlengänge
weiterer mit phasenkonjugierten Wellenfeldern
arbeitender Anordnungen zur Dichtheitsprüfung,
Fig. 5a ein vereinfachtes Blockschaltbild einer mit
phasenkonjugierten Wellenfeldern arbeitenden
Anordnung zur Dichtheitsprüfung, die einen sehr
schnellen Nachweis eines Lecks ermöglicht,
Fig. 5b eine Abwandlung der Anordnung gemäß Fig. 5a,
Fig. 5c eine weitere Abwandlung der Anordnung gemäß
den Fig. 5a und 5b, die zwischen zwei Betriebs
arten umschaltbar ist und
Fig. 6 einen Strahlengang einer im Rahmen der Anord
nungen gemäß den Fig. 5a bis 5c geeigneten op
tischen Anordnung zur Erzeugung eines den Nach
weis des Testfluids vermittelnden phasenkonju
gierten Spiegels.
Die in der Fig. 1 dargestellte, insgesamt mit 10 be
zeichnete optische Anordnung wird am Beispiel der Dicht
heitsprüfung eines Behälters 11 erläutert, der hinsicht
lich seiner Dichtheit hohen Anforderungen genügen muß,
deren Erfüllung vom Hersteller in der Regel zu garan
tieren ist. Behälter dieser Art sind z. B. Vorratsbehäl
ter für leicht flüchtige und brennbare, vielfach auch
giftige Lösungsmittel der verschiedensten Art, die in
chemischen Betrieben oftmals in großen Mengen gelagert
werden müssen, aber auch Wasser- und Ölkühler für Kraft
fahrzeuge oder Heizkörper für mit Warmwasser betriebene
Gebäudeheizungen, d. h. Behälter in einem weiten Sinne
des Wortes, in denen eine unter erhöhter Temperatur und
gegenüber dem Umgebungsdruck auch höherem Druck stehen
de Flüssigkeit zirkuliert, deren Menge über längere
Zeit hinweg nicht nennenswert abnehmen darf, damit ein
reibungsloser Betrieb einer einen solchen Behälter 11
umfassenden Anlage gewährleistet ist. Die Behälter 11
müssen daher schon bei ihrer Herstellung auf Dichtheit
überprüft werden.
Diese Überprüfung erfolgt bei der Anordnung 10 dadurch,
daß der Behälter 11 mit einem Gas als Testfluid befüllt
wird, das gegenüber der umgebenden Atmosphäre unter einem
erhöhten Druck von z. B. 2 bis 4 bar gehalten wird, so
daß es, wenn der Behälter ein Leck hat, auch dann in
einer für einen optischen Nachweis hinreichenden Menge
austreten kann, wenn dieses Leck sehr klein ist. Das an
einem Leck 15 aus dem Behälter 11 austretende Gas wird in
einem Untersuchungsvolumen 12, das bezüglich des Behäl
ters 11 so angeordnet ist, daß aus diesem austretendes
Testgas auch mit Sicherheit in das Untersuchungsvolumen
12 gelangen kann, durch einen nicht-linearen optischen
Effekt, der durch eine Wechselwirkung des Testgases mit
einem elektromagnetischen Wellenfeld, insbesondere dem
Strahlungsfeld einer intensiven Lichtquelle erzeugt
wird, nachgewiesen.
In vorstehend angesprochenem Sinne "nichtlineare" opti
sche Effekte, die auf einer mehr oder weniger ausgepräg
ten Nichtlinearität der Abhängigkeit der dielektrischen
Suszeptibilität eines Testfluids von der Intensität
eines elektromagnetischen Wellenfeldes, dem das Test
fluid ausgesetzt ist, beruhen, sind z. B. stimulierte
Streuprozesse (Raman-, Brillouin- oder Raleigh-Streuung),
oder auch Sättigungseffekte im optischen Absorptionsver
halten, desweiteren intensitätsabhängige Frequenzver
schiebungen von Absorptionsprozessen, Mehr-Photonen
prozesse u. a.m.
Als Testfluide geeignete Gase, die ausgeprägt nichtli
neare Abhängigkeiten ihrer dielektrischen Suszeptibili
tät von der Intensität eines Bestrahlungs-Wellenfeldes
zeigen, sind z. B. Kohlendioxid (CO2), Ammoniak (NH3),
sämtliche Freone (z. B. CF4, CH3F) sowie Kohlenstoffdi
sulfid (CS2) und Schwefelhexafluorid (SF6), um einige
typische Beispiele zu erwähnen. Diese Gase zeigen ins
besondere im nahen IR-Bereich ein ausgeprägtes Absorp
tionsverhalten, das auf Valenz- und Deformationsschwin
gungen der genannten Moleküle basiert, sowie auf deren
Kopplung mit Rotationszuständen dieser Moleküle. Die
hieraus resultierenden Schwingungs-Rotations-Absorptions
banden erstrecken sich in der Regel über einen größeren
Spektralbereich, dessen Lage im Frequenzspektrum im
wesentlichen durch die Frequenz der jeweiligen Eigen
schwingung eines solchen Moleküls bestimmt ist, und
dessen Bandbreite im wesentlichen durch die Zahl der
anregbaren Rotationsprozesse bestimmt ist. Entsprechen
des gilt für eine Kopplung elektronisch-optischer Anre
gungszustände mit Eigenschwingungen der Moleküle sowie
Rotationen derselben, wobei durch die Druck- und Tempe
raturverbreiterung im allgemeinen breite Absorptions
banden entstehen, da die Feinstruktur wegen der Über
lappung der einzelnen Linien gleichsam verschwindet.
Bei der Anordnung 10 wird innerhalb eines langgestreckt
zylindrischen Bereiches, dessen zentrale Längsachse mit
13 bezeichnet ist, ein stehendes Wellenfeld dadurch er
zeugt, daß ein von einem in der Fig. 1 nicht dargestellten
Laser ausgehendes, im Querschnitt beispielsweise kreis
förmiges Lichtbündel, das durch den in seine Ausbreitungs
richtung zeigenden Pfeil 14 repräsentiert sei, an einem
Spiegel 16, dessen spiegelnde Fläche senkrecht zur Aus
breitungsrichtung 14 des von dem Laser ausgehenden Licht
bündels steht, in sich selbst zurückreflektiert wird,
wobei dieses reflektierte Lichtbündel wiederum durch
den in seine Ausbreitungsrichtung zeigenden Pfeil 17
repräsentiert sei.
Das aus der Überlagerung dieser in entgegengesetzter
Richtung laufender Wellenfelder 14 und 17 resultierende
- stehende - Wellenfeld führt, entlang der zentralen
Achse 13 gesehen, zu einer periodischen Struktur des
Brechungsindex eines Mediums, das mit einem elektromag
netischen Feld in Wechselwirkung treten kann, wobei die
Periodizitätslänge dieser Struktur der halben Wellen
länge des von dem Laser ausgesandten elektromagneti
schen Wellenfeldes bzw. des von dem Spiegel 16 reflek
tierten Wellenfeldes 17 entspricht.
Davon ausgehend, daß im wesentlichen nur das Testgas
bei diesbezüglich geeigneter Auswahl, in Wechselwirkung
mit dem stehenden Wellenfeld 14, 17 treten kann, ent
steht somit diese periodische Struktur des Brechungsin
dex auch nur dann, wenn solches Testgas aus dem zu un
tersuchenden Behälter 11 austritt. Ein möglicher Prozeß,
der zur Ausbildung dieser periodischen Struktur führt,
ist Absorption in dem Wellenfeld enthaltener Energie
durch das Testgas. Da hierbei eine Absorption, räumlich
gesehen, nur in denjenigen Bereichen stattfindet, in
denen die Intensität des stehenden Wellenfeldes sehr
hohe Werte annehmen kann, in solchen jedoch, in denen
aufgrund destruktiver Interferenz die Feldstärke des
stehenden Feldes niedrig ist, Absorption praktisch nicht
auftritt, mithin eine "Aufheizung" des Testmediums nur
in den Bereichen mit erheblicher Variation der Feld
stärke eintreten kann, ist unmittelbar ersichtlich, wie
eine hiermit verknüpfte periodische Struktur des Bre
chungsindex zustandekommt.
Wird der Volumenbereich, in dem durch das stehende Wel
lenfeld, einerseits und andererseits durch denjenigen
Raumbereich, in den Testgas eingetreten ist, einem wei
teren elektromagnetischen Wellenfeld als Testfeld 18
ausgesetzt, für das beim dargestellten Ausführungsbei
spiel vorausgesetzt ist, daß es dieselbe Wellenlänge
hat, wie das von dem Laser ausgesandte Wellenfeld 14,
mit diesem kohärent ist und auch von diesem abgeleitet
ist, jedoch eine deutlich geringere Intensität IT hat
und seine Ausbreitungsrichtung 19 mit der zentralen
Längsachse 13 des stehenden Wellenfeldes einen endlichen
Winkel ϕ einschließt, der im Prinzip zwischen 90° und
beliebig kleinen Werten variieren kann, wobei zweckmäßi
gerweise jedoch sowohl der streifende Einfall als auch
senkrechter Einfall vermieden werden, so entsteht wegen
der periodischen Struktur des Brechungsindex in dem vom
Testgas eingenommenen Bereich ein zu dem Test-Wellenfeld
18 phasenkonjugiertes Wellenfeld, dessen durch den Pfeil
21 repräsentierte Ausbreitungsrichtung zu der durch den
Pfeil 19 repräsentierten Ausbreitungsrichtung des Test
feldes 18 entgegengesetzt ist, und bei dem der Verlauf
seiner Wellenfronten auch komplementär zu demjenigen
der Wellenfronten des Testfeldes 18 ist, derart, daß,
in Ausbreitungsrichtung 21 gesehen, das phasenkonjugierte
Wellenfeld konkav gewölbte Wellenfronten hat, während,
in der Ausbreitungsrichtung 19 des Testwellenfelds 18
gesehen, dessen Wellenfronten konvex gewölbt sind. Anders
ausgedrückt, das phasenkonjugierte Wellenfeld wird zur
Quelle des Testfeldes hin fokussiert.
Durch das Schnittvolumen des stehenden Wellenfeldes
14, 17, des Testfeldes 18 und des von dem Testfluid ein
genommenen Bereiches, ist somit das Untersuchungsvolu
men 12 definiert, innerhalb dessen das Testfluid aus
einer Detektion des phasenkonjugierten Wellenfeldes räum
lich selektiv nachweisbar ist.
Bevor auf weitere Einzelheiten der Anordnung 10 gemäß
Fig. 1 eingegangen wird, sei zunächst anhand der Fig. 2
ein möglicher Strahlengang einer Anordnung 10 erläutert,
bei der die Dimensionen des zu prüfenden Behälters 11
groß gegen die Bündelquerschnitte sind und der Behälter
11 im wesentlichen quaderförmig ist.
Die Anordnung 10 ist hier so gestaltet, daß die gemein
same zentrale Achse 13 des von einem als Strahlungsquelle
benutzten Laser 23 ausgesandten Wellenfeldes 14 und des
von dem Spiegel 16 reflektierten Wellenfeldes 17 parallel
zu einer der senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden
Begrenzungsflächen 22 des Behälters 11 verläuft und ihr
seitlicher Abstand von dieser nur geringfügig größer
ist als der halbe Bündel-Durchmesser da. Der Spiegel 16
ist zwar hochreflektierend, mit einem Reflexionsvermögen
von ca. 95 bis 98%, gleichzeitig jedoch "teildurchlässig",
in dem Sinne, daß in Richtung des Pfeils 14′, d. h. in
Emissionsrichtung des Lasers 23 ein Restwellenfeld sich
ausbreitet, das dem nichtreflektierten Anteil des von
dem Laser 23 ausgesandten Wellenfeldes entspricht. Dieses
Restwellenfeld 14′, das ebenfalls noch ein Parallelbündel
ist, wird an dem schräg zu seiner Ausbreitungsrichtung
stehenden Umlenkspiegel 24 reflektiert und von diesem
zu einem weiteren Spiegel 26 umgelenkt. Die reflektieren
den Flächen des hochreflektierenden, gleichwohl teildurch
lässigen Spiegels 16, des Umlenkspiegels 24 und des
weiteren Spiegels 26 verlaufen senkrecht zu der durch
die zentrale Achse 13 des von dem Laser 23 ausgesandten
Lichtbündels und der zentralen Achse 14′′ des durch
diese repräsentierten von dem Umlenkspiegel 24 zu dem
weiteren Spiegel 26 hin gelenkten Wellenfeldes (Licht
bündels) aufgespannten Ebene, was zur Folge hat, daß
auch die zentrale Achse 14′′′ des durch diese repräsen
tierten an dem weiteren Spiegel 26 reflektierten Wellen
feldes) in derselben Ebene verläuft. Der weitere Spiegel
26 ist um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende
Achse 27 schwenkbar angeordnet und mittels eines nicht
dargestellten Schwenkantriebes um diese Achse 27 inner
halb eines begrenzten Schwenkwinkelbereiches α hin-
und herschwenkbar angeordnet, so daß der Bereich des
Schnittvolumens 12, das durch die sich räumlich durch
dringenden Wellenfelder 14, 17 und 14′′′ entsteht, ent
lang der zentralen Achse 13 des von dem Laser 23 ausge
sandten Wellenfeldes gleichsam parallel zu der Begrenzungs
fläche 22 des Behälters 11, an der Lecks auftreten können,
verschiebbar ist. Hierdurch ist innerhalb eines zeilen
förmigen Bereichs, der durch die zylindrische Form des
stehenden Wellenfeldes 14, 17 bestimmt ist und einem
zeilenförmigen Bereich der Begrenzungsfläche 22 des
Behälters 11 zugeordnet werden kann, eine gleichsam
punktweise Abtastung der Flächenbereiche der Begrenzungs
fläche 22 erreichbar, innerhalb derer Lecks auftreten
können.
Eine ergänzende "zeilenweise" Abtastung der Begrenzungs
fläche 22 des Behälters 11 zur Lokalisierung von an
dieser auftretenden Lecks ist entweder dadurch möglich,
daß der Behälter 11, in der Darstellung der Fig. 2 ge
sehen, senkrecht zur Zeichenebene auf- oder abbewegt
wird oder die Anordnung 10 einer entsprechenden Absen
kung oder Anhebung gegenüber dem Behälter 11 unterwor
fen wird.
Konstruktion und Auslegung einer für eine insoweit er
läuterte punkt- und zeilenweise Abtastung der Behälter-
Begrenzungsfläche 22 erforderlichen Hub-Vorrichtung für
den Behälter 11 oder die optische Anordnung 10 werden
als im Bereich fachmännischen Könnens liegend angesehen.
Zur Auskopplung des für den Nachweis des Testfluids im
Untersuchungsvolumen 12 ausgenutzten phasenkonjugierten
Wellenfeldes, das sich in der zur Ausbreitungsrichtung
14′′′ des Testfeldes entgegengesetzten, durch den
Pfeil 28 repräsentierten Richtung ausbreitet, auf einen
Detektor 32 ist zwischen dem Umlenkspiegel 24 und dem
schwenkbaren Spiegel 26 ein teildurchlässiger Spiegel
29 so angeordnet, daß die Ausbreitungsrichtung 28′ des
an diesem teildurchlässigen Spiegel 29 reflektierten,
zu dem Testfeld 14′′′ phasenkonjugierten Wellenfeldes
parallel zu der zentralen Achse 13 des stehenden Wellen
feldes verläuft. Das an dem teildurchlässigen Spiegel
29, dessen Durchlässigkeit vorzugsweise um 50% beträgt,
reflektierte, zu dem Testfeld phasenkonjugierte Wellen
feld wird mittels einer Linse 31 auf den fotoelektrischen
Detektor 32 fokussiert, dessen Ausgangssignal in Ein
heiten der Konzentration des Testfluids im Untersuchungs
volumen 12 auswertbar ist.
Bei der Anordnung 10 gemäß Fig. 2 ist der schwenkbare
Spiegel 26 derart angeordnet und sein Schwenkbereich α
dahingehend eingeschränkt, daß eine rechtwinklige Kreu
zung des Testwellenfeldes und des stehenden Wellenfel
des 14,17 ausgeschlossen ist. Dadurch wird vermieden,
daß z. B. an dem Behälter 11 reflektierte Teststrahlung
mit gleicher Ausbreitungsrichtung wie derjenigen des
phasenkonjugierten Wellenfeldes zu dem Spiegel 26 zu
rückgeworfen und damit auch nach Reflexionen an dem
teildurchlässigen Spiegel 29 als störender Untergrund
zum Detektor 32 gelangen kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 werden Quer
schnittsflächen der Strahlungsbündel um 1 cm2 oder
kleiner als günstig angesehen, um einen bestmöglichen
Kompromiß zwischen Orts-Auflösungsvermögen der Leck-
Detektion und Abtast-Zeit bei vorgegebener Leistung des
Lasers 23 zu erzielen.
Zur Erläuterung weiterer Maßnahmen, die geeignet sind,
den Einfluß störender elektromagnetischer Felder, die
den Nachweis des phasenkonjugierten Wellenfeldes behin
dern könnten, weitgehend auszuschließen, sei nunmehr
wieder auf die Fig. 1 Bezug genommen, deren optische
Anordnung 10 sich von derjenigen gemäß Fig. 2 insoweit
unterscheidet, als hier eine "gleichzeitige" Erfassung
der gesamten Fläche einer dem Untersuchungsvolumen 12
zugewandten Begrenzungsfläche 22 eines relativ kleinen
Behälters möglich sein soll, und demgemäß durch die
optische Anordnung 10 auch gleichzeitig eine Abbildung
des Untersuchungsvolumens 12 auf einen Bildschirm 33
gewonnen wird, der in zweckmäßiger Gestaltung als ein
Matrix-Array von punktförmigen Detektoren ausgebildet
ist. Das Testwellenfeld 18, das ebenso wie beim Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 2 erläutert, aus dem Ausgangs-
Wellenfeld des Lasers 23 abgezweigt worden sein kann,
wird hier einer Fokussierung mittels einer Linse 34
unterworfen und als konvergentes Lichtbündel 36 auf die
Öffnung 37 einer Blende 38 fokussiert, wonach es sich
als divergentes Bündel 36′ zu dem Behälter 11 hin, diesen
insgesamt ausleuchtend, ausbreitet. Das Testvolumen 12
ist im Falle des Auftretens eines Lecks 15 durch den
von dem Testfluid erfüllten Teilbereich des im
wesentlichen kegelstumpfförmigen Raum-Bereiches ge
bildet, der dem Parallelbündel 14, 17 und dem divergenten
Testwellenfeld-Bündel gemeinsam ist. Das in einem be
grenzten Bereich dieses Schnittvolumens dieser Wellen
felder durch die Wechselwirkung mit dem Testfluid erzeugte
phasenkonjugierte Wellenfeld 21, dessen Ausbreitungsrich
tung zu derjenigen des Testwellenfeldes 18 entgegenge
setzt ist, passiert die Blendenöffnung 37 ungehindert,
während durch die Blende 38 aus anderen Teilen des Raumes
kommende Strahlung abgeschattet wird. Nach Parallelisie
rung des phasenkonjugierten Wellenfeldes durch die Linse
34 trifft das phasenkonjugierte Wellenfeld auf einen
teildurchlässigen Spiegel 39, mittels dessen es aus dem
auch von dem Testfeld 18 durchsetzten Raumbereich ausge
koppelt und als Parallelbündel zu dem Bildschirm 33
gelenkt wird. Je nachdem, in welchem Bereich das Unter
suchungsvolumen 12 innerhalb des Überlagerungsbereiches
von Anregungs- und Testwellenfeld gebildet wird, d. h.
wo die Konzentration aus dem Behälter ausströmenden
Testfluids am größten ist, ist auch der Ort, an dem das
phasenkonjugierte Wellenfeld auf den Bildschirm 33 auf
trifft, in definierter Weise verschieden, so daß auf
einfache Weise aus der Anordnung der ansprechenden
Detektorelemente des Detektor-Arrays 33 auf den Ort
eines Lecks 15 an dem zu prüfenden Behälter geschlossen
werden kann.
Zur Erläuterung einer weiteren möglichen Gestaltung ei
ner optischen Anordnung zur Dichtheitsprüfung sei nun
mehr auf den schematisch vereinfachten Strahlengang der
Fig. 3 Bezug genommen, der eine zu den Anordnungen gemäß
den Fig. 1 und 2 funktionsanaloge Anordnung 30 zeigt,
bei der das für den Nachweis von Testfluid in einem
Untersuchungsvolumen ausgenutzte Wellenfeld mittels
zweier Wellenfelder unterschiedlicher Frequenz erzeugt
wird, die sich in derselben Richtung ausbreiten und das
hieraus bei Anwesenheit eines Testfluids, das einen
nichtlinearen optischen Effekt zeigt, resultierende
phasenkonjugierte Wellenfeld eine Frequenz hat, deren
Betrag durch die Differenz der Frequenzen der beiden
Anregungswellenfelder gegeben ist. Die hier sich zu
einem Gesamtwellenfeld überlagernden Wellenfelder können,
soweit ihre Frequenzen unterschiedlich sind, mittels
eines einfachen Monochromators 42 separiert voneinander
zum Nachweis gebracht werden, wobei es genügt, diesen
Monochromator 39 auf die Frequenz des phasenkonjugierten
Wellenfeldes einzustellen. Ist die Frequenz des phasen
konjugierten Wellenfeldes gleich der niedrigeren Frequenz
eines der Anregungs-Wellenfelder, so ist eine Unter
scheidung des phasenkonjugierten Wellenfeldes dieser
Frequenz von dem Anregungsfeld gleicher Frequenz auf
grund der unterschiedlichen Polarisationen dieser Wel
lenfelder möglich, dies jedenfalls dann, wenn diese Po
larisationen definiert verschieden sind. Hierzu geeig
nete polarisationsempfindliche Filter oder Spiegel sind
als Standard-Bauelemente der Optik bekannt.
Die anhand der Fig. 3 geschilderte Art des Nachweises
des phasenkonjugierten Wellenfeldes ist auch dann zweck
mäßig, wenn zwei sich in gleicher Richtung ausbreiten
den Anregungs-Wellenfeldern mit streifendem Einfall ein
Testwellenfeld überlagert wird und das hieraus resultie
rende phasenkonjugierte Wellenfeld ebenfalls "streifend"
zu der Ausbreitungsrichtung der Anregungs-Wellenfelder
verläuft, da ansonsten ungünstig ausgedehnte Anordnungen
entstehen würden.
Zur Erläuterung einer besonders einfachen Anordnung zum
Nachweis eines Testfluids sei nunmehr auf die Fig. 4
verwiesen, die für den Fall gilt, daß das Untersu
chungsvolumen einem Anregungs-Wellenfeld hoher Intensi
tät ausgesetzt wird und das hierzu phasenkonjugierte
Wellenfeld sich in der entgegengesetzten Richtung aus
breitet. Dieser nichtlineare-optische Effekt, der als
stimulierte Brillouin-Streuung bekannt ist, setzt je
doch voraus, daß das Anregungs-Wellenfeld eine Mindest-
Intensität hat, d. h. es wird im praktischen Fall ein
Laser mit sehr hoher Strahlungs-Leistung benötigt. Zur
Auskopplung des phasenkonjugierten Wellenfeldes aus dem
"linearen" Strahlengang und Umlenkung eines Teils des
phasenkonjugierten Wellenfeldes auf den Detektor 32
kann ein schwach reflektierender Strahlenteiler 41 mit
der aus der Fig. 4 ersichtlichen Anordnung benutzt wer
den.
Die in den Fig. 5a, 5b und 5c dargestellten Anordnungen
zur Dichtheitsprüfung sind für den Answendungfall aus
gelegt, daß ein Nachweis eines an einem Behälter oder
an einem Ventilgehäuse, allgemein an einem Hohlkörper,
der dicht abschließbar sein muß, vorhandenen Lecks sehr
schnell durchgeführt werden kann, z. B. im Zuge der Serien
produktion solcher Gegenstände.
Bei den Anordnungen 50, 50′ und 50′′ gemäß den Fig. 5a
bus 5c erfolgt der Nachweis eines Lecks in Analogie zu
den anhand der Fig. 1 bis 4 geschilderten Verfahrenswei
sen, durch den Nachweis eines gas- oder dampfförmigen
Testfluids, das in dem Untersuchungsvolumen 12 mit Hilfe
eines dort erzeugten phasenkonjugierten Spiegels nach
weisbar ist.
Das Untersuchungsvolumen 12 ist bei den Anordnungen 50,
50′ und 50′′ durch den Innenraum einer Nachweiskammer
43 definiert, die in einer typischen Gestaltung als ein
gasdichtes Edelstahlrohr ausgebildet ist, das an seinen
Enden durch plattenförmige Fenster 44 und 46 dicht ab
geschlossen ist, die für die zur Erzeugung des phasenkonju
gierten Spiegels ausgenutzten elektromagnetischen Wellen
felder - IR-Laser-Lichtbündel - hinreichend durchlässig
sind. Der auf Dichtheit zu prüfende Körper 11 ist in
einer gasdicht abschließbaren Testkammer 47 angeordnet
und über eine Testfluid-Leitung 48 mit erforderlichen
falls unter erhöhtem Druck stehendem Testfluid, z. B.
CO2 oder SF6 befüllbar, das aus einem Testfluid-Vorrats
behälter 49 zuführbar ist.
Die Testkammer 47 und die Nachweiskammer 43 sind mit
tels einer Vakuumpumpe 51 evakuierbar, wobei die Saug
seite 52 der Vakuum-Pumpe 51 an die Nachweiskammer 43 an
geschlossen ist und diese über eine weitere Testfluid-
Leitung 53 kommunizierend mit der Testkammer 47 verbun
den ist.
Mittels eines Belüftungsventils 54, das als ein von
Hand oder als ein elektrisch betätigbares Magnetventil
ausgebildet sein kann, sind die Nachweiskammer 12
und die Testkammer 47 sowie die Vakuumpumpe 51 von de
ren Saugseite her belüftbar.
Um das Prüfobjekt 11 in kurzer Zeit mit Testfluid be
füllen zu können, ist eine mit ihrem Ansaugeingang 56
an die Testfluidleitung 48 angeschlossene Pumpe 57 vor
gesehen, mittels derer zum einen das Prüfobjekt 11 vor
seiner Befüllung mit Testfluid evakuierbar ist und zum
anderen in dem Prüfbehälter nach einem Testvorgang ent
haltenes Testfluid zurück zum Testfluid-Vorratsbehälter
49 gepumpt wird und dadurch zurückgewonnen werden kann.
Der Ausgang 58 dieser Evakuierungs- und Rückförderpum
pe 57 ist mittels eines als 2/2-Wege-Ventil ausgebilde
ten Betriebssteuerventils 59 gegen die Umgebungsat
mosphäre absperrbar, alternativ dazu zu dieser hin
freiggebbar. Das Betriebssteuerventil 59 ist als Mag
netventil ausgebildet, dessen Grundstellung 0 seine
Sperrstellung ist und dessen erregte Stellung I seine
den Pumpenausgang 58 mit der Umgebungsatmosphäre ver
bindende Durchflußstellung ist.
Die Befüllung des Prüfobjekts 11 mit Testfluid ist mit
tels eines weiteren, beim dargestellten Ausführungsbei
spiels als 2/2-Wege-Ventil ausgebildeten Magnetventils
61 steuerbar, über das der Testfluid-Ausgang 62 des
Testfluid-Vorratsbehälters 49 mit der zum Prüfobjekt 11
führenden Testfluid-Leitung 58 verbindbar, alternativ
dazu gegen diese absperrbar ist. Die Grundstellung 0
dieses Befüllungs-Steuerventils 61 ist seine Sperrstel
lung, in welcher die Testfluidleitung 58 und der an
diese angeschlossene Eingang 56 der Pumpe 57 gegen den
Testfluid-Ausgang 62 des Testfluid-Vorratsbehälters 49
abgesperrt sind, während seine erregte Stellung I die
Durchfluß-Stellung ist, in welcher der Testfluid-Aus
gang 62 mit der zum Prüfobjekt 11 führenden Testfluid-
Leitung 48 verbunden ist.
Für den Testfluid-Vorratsbehälter 49 wird - zum Zweck
der Erläuterung - voraussgesetzt, daß in diesem das
Testfluid unter einem Druck von einigen bar, z. B. 4 bis
6 bar steht.
Zwischen den Ausgang 58 der Evakuierungs- und Rückför
derpumpe 57 und den Testfluid-Ausgang 62 des Testfluid-
Vorratsbehälters 49 oder, wie dargestellt, einen ei
gens vorgesehenen Rücklaufanschluß 62′ des Testfluid-
Vorratsbehälters 49 ist ein Rücklaufsteuerventil ge
schaltet, das als einfaches Rückschlagventil 63 darge
stellt ist, das durch den im Testfluid-Vorratsbehälter
49 herrschenden Druck in seine Sperrstellung gedrängt
wird, durch relativ höheren Druck am Ausgang 58 der
Evakuierungs- und Rückförderpumpe 57 jedoch in seine
Offen-Stellung gelangt, in der, während das Betriebs
steuerventil 59 und das Befüllungssteuerventil 61 in
ihren Sperrstellungen 0 gehalten sind, das Testfluid
aus dem Prüfobjekt 11 in den Testfluid-Vorratsbehälter
49 zurückgepumpt werden kann.
Die insoweit ihrem prinzipiellen Aufbau nach erläuterte
Anordnung 50 ist zur Durchführung eines Lecktests wie
folgt benutzbar:
Zur Vorbereitung der Anordnung 50 auf einen Testzyklus werden bei geschlossenem Belüftungsventil 54 deren Testkammer 47 und deren Nachweiskammer 43 durch Ak tivierung der Vakuumpumpe 51 evakuiert. Gleichzeitig wird bei gesperrtem Befüllungs-Steuerventil 61 und ge öffnetem Betriebs-Steuerventil 59 das Prüfobjekt 11 evakuiert.
Zur Vorbereitung der Anordnung 50 auf einen Testzyklus werden bei geschlossenem Belüftungsventil 54 deren Testkammer 47 und deren Nachweiskammer 43 durch Ak tivierung der Vakuumpumpe 51 evakuiert. Gleichzeitig wird bei gesperrtem Befüllungs-Steuerventil 61 und ge öffnetem Betriebs-Steuerventil 59 das Prüfobjekt 11 evakuiert.
Sobald das Prüfobjekt 11 hinreichend evakuiert ist, in
diesem z. B. ein Restdruck von nur noch 1 mbar herrscht,
wird das Prüfobjekt 11 mit Testfluid befüllt. Hierzu wird
das Betriebs-Steuerventil 59 in seine Sperrstellung 0
zurückgeschaltet, die bis dahin im Evakuierungsbetrieb
arbeitende Pumpe 57 ausgeschaltet und das Befüllungs-
Steuerventil 61 in seine Durchfluß-Stellung I umge
schaltet, so daß das Testfluid aus dem Vorratsbehälter
49 in das Prüfobjekt 11 überströmen kann. Die Vakuum
pumpe 51 wird weiterhin im Evakuierungsbetrieb gehal
ten, wobei sich im stationären Zustand in der Nachweis
kammer 43 und in der Testkammer 47 stabile Werte der
dort herrschenden Drücke ergeben, die in der Größenord
nung zwischen 0,1 mbar und einigen mbar betragen.
Durch das bei Vorhandensein eines Lecks am Prüfobjekt
aus diesem in die Testkammer 47 austretende Testfluid
wächst dessen zu dem in der Testkammer 47 sowie in der
Nachweiskammer 43 herrschenden Restdruck beitragender
Partialdruck mit zunehmender Dauer des Testvorganges
stetig an, bis in der Nachweiskammer 43 eine die Nach
weisgrenze markierende Mindest-Konzentration des Test
fluids gegeben ist, ab welcher sich im Untersuchungs
volumen 12 unter dem Einfluß der elektromagnetischen
Anregungs-Wellenfelder und des Testwellenfeldes auf
grund des von dem Testfluid entfalteten nichtlinearen
optischen Effektes die für den Nachweis des Testfluids
ausgenutzte phasenkonjugierte Spiegelung ergibt, die zu
einem Ausgangssignal des für den Nachweis vorgesehenen
Detektors führt und somit im Ergebnis zu dem Nachweis
des Lecks.
Auf die Größe eines solchermaßen nachgewiesenen Lecks
des Prüfobjekts 11 kann zum einen aus der Dauer der
Zeitspanne geschlossen werden, die ab dem Befüllen des
Prüfobjekts 11 mit Testfluid verstreicht, bis im Unter
suchungsvolumen 12 der zu einer phasenkonjugierten Re
flexion des Testfeldes führende nichtlineare optische
Effekt, der konzentrationsabhängig ist, auftritt, zum
anderen auch aus dem zeitlichen Anstieg des Detektor-
Ausgangssignals, das in einer monotonen, in der Regel
linearen Relation zur Konzentration des Testfluids im
Untersuchungsvolumen 12 der Nachweiskammer 43 steht.
Um das Anwachsen der Testfluid-Konzentration im Unter
suchungsvolumen 12 gleichsam steuern zu können, ist die
von der Testkammer 47 zu der Nachweiskammer 43 führende
Testfluid-Leitung mit einer Drossel 64 mit einstellba
rem Strömungswiderstand versehen, durch dessen Einstel
lung der im stationären Betriebszustand der Anordnung
50 in der Nachweiskammer 43 sich einstellende Druck und
damit auch die zeitliche Rate des Anstieges der Konzen
tration des Testfluids in der Nachweiskammer 43 in wei
ten Grenzen definiert vorgebbar ist, wodurch im Ergeb
nis die Anordnung 50 an verschiedene Leckgrößen anpaß
bar ist, ohne daß hierzu die optische Anorndung und/
oder die Empfindlichkeit der photoelektrischen Detek
toranordnung verändert werden müssen.
Mittels der Drossel 64 ist somit die Zeitspanne ein
stellbar, ab welcher unter den beispielhaft geschilder
ten Betriebsbedingungen in der Nachweiskammer 43 die
Nachweisgrenze der Konzentration des Testfluids er
reicht wird und/oder die zeitliche Änderungsrate des
Detektor-Ausgangssignals der optischen Nachweisanord
nung vorgebbar, mit der, nachdem die Nachweisgrenze
erreicht ist, das Nachweissignal mit zunehmender Kon
zentration des Testfluids in der Nachweiskammer 43 an
wächst.
Die in Fig. 5b dargestellte Anordnung 50′ unterscheidet
sich von der Anordnung 50 gemäß Fig. 5a lediglich inso
weit, als anstelle der Drossel 54 eine Förderpumpe 66
vorgesehen ist, und daß der die Nachweiskammer 43 mit
der Saugseite 52 der Vakuumpumpe 51 verbindende Strö
mungspfad über ein Molekularsieb 67 geführt ist, das,
vorausgesetzt daß die Testfluid-Moleküle deutlich grö
ßer sind als die anderen Gasmoleküle, vorwiegend N2 und
O2, die insbesondere in der Vorbereitungsphase eines
Meßzyklus aus der Testkammer 47 und der Nachweiskammer
53 abgesaugt werden müssen, so ausgelegt ist, daß es
für die Testfluid-Moleküle praktisch undurchlässig, für
die "kleineren" N2- und O2-Moleküle jedoch weitestge
hend durchlässig ist.
Bei der insoweit geschilderten und auch lediglich dar
gestellten Gestaltung der Anordnung 50′ gemäß Fig. 5b
ist es zweckmäßig, wenn das um das Volumen des Prüfob
jekts 11 verminderte "freie" Volumen der Testkammer 47
deutlich, z. B. 10 bis 100 mal größer ist als das Volu
men der Nachweiskammer 43.
Bei dieser Auslegung der Anordnung 50′ kann durch Ak
tivierung der Förderpumpe 66 der für ein Überschreiten
der Nachweisgrenze des Testfluids in der Nachweiskammer
43 erforderliche Partialdruck desselben schon erreicht
werden, wenn der aus dem Testfluid-Anteil resultierende
Partialdruck in der Testkammer 47 noch deutlich niedri
ger ist und dadurch im Ergebnis der Nachweis eines
Lecks am Prüfobjet erheblich beschleunigt werden.
Zu beachten hierbei jedoch ist, daß die Förderpumpe 66
in ihrem nicht aktivierten Zustand nicht sperrend sein
darf sondern allenfalls die Wirkung einer Drossel ent
falten darf.
Ein zur Realisierung der Anordnung 50′ gemäß Fig. 5b
geeigneter Pumpentyp ist daher eine sogenannte Moleku
larpumpe, die bei relativ hohen Werten des absoluten
Druckes die Wirkung einer Drossel mit relativ geringem
Strömungswiderstand hat und zu geringeren Werten des
absoluten Druckes hin eine zunehmende Förderwirkung
entfaltet und darüberhinaus so ausgelegt werden kann,
daß sie diese Förderwirkung vorwiegend für das Test
fluid entfaltet, wiederum vorausgesetzt, daß dessen
Moleküle schwerer sind als diejenigen des übrigen Gas
stromes, der über diese Förderpumpe 66 strömen muß.
Die in der Fig. 5c, auf deren Einzelheiten nunmehr ver
wiesen sei , dargestellte Anordnung 50′′ unterscheidet
sich von der in der Fig. 5a dargestellten Anordnung 50
lediglich dadurch, daß ein Betriebsart-Umschaltventil
68 vorgesehen ist, mittels dessen die Anordnung 50 von
der anhand der Fig. 5a geschilderten Fuktionsweise der
Anordnung 50, bei der im Testbetrieb die Testkammer 57
evakuiert wird und das Testfluid in den Innenraum des
Prüfobjekts 11 geleitet wird, in eine dazu alternative
Betriebsart umschaltbar ist, in welcher im Testbetrieb
der Innenraum des Prüfobjekts 11 permanent evakuiert
wird und dafür der Innenraum der Testkammer 47 mit ge
gebenenfalls unter erhöhtem Druck stehendem Testfluid
befüllt gehalten wird.
Das Betriebsart-Umschaltventil 68 ist beim dargestell
ten, speziellen Ausführungsbeispiel als 4/2-Wege-Ventil
ausgebildet, in dessen Grundstellung 0 die Anordnung
50′′ in der der Anordnung 50 gemäß Fig. 5a entsprechenden
Betriebsart benutzbar ist und in dessen hierzu alterna
tiver Schaltstellung I die Anordnung 50′′ in der ande
ren Betriebsart benutzbar ist.
Dieses Betriebsart-Umschaltventil 68, das in seiner
Grundstellung 0 über einen ersten Durchflußpfad 69 die
mittels des Befüllungs-Steuerventil 61 absperrbare und
freigebbare Testfluid-Leitung 48 mit dem Innenraum des
Prüfobjekts 11 verbindet und über einen zweiten Durch
flußpfad 71 den Innenraum der Testkammer 47 mit der
zur Nachweiskammer 43 weiterführenden, zweiten Test
fluid-Leitung 53 verbindet und in seiner hierzu alter
nativen Schaltstellung I die an das Befüllungs-Steuer
ventil 61 angeschlossene Testfluid-Leitung 48 über ei
nen Durchflußpfad 72 mit dem Innenraum der Testkammer
47 verbindet und über einen weiteren Durchflußpfad 73
den Anschluß des Innenraumes des Prüfobjektes 11 an die
zur Nachweiskammer 43 führende Testfluid-Leitung 53
vermittelt, ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel
als von Hand umschaltbares Ventil ausgebildet, das je
doch auch, was bei einer Anordnung des Betriebsart-Umschalt
ventils 68 innerhalb der Testkammer 47 zweckmäßig wäre,
als elektrisch umschaltbares Ventil ausgebildet sein
kann.
Soweit in der Fig. 5c Bau- und Funktionselemente der
Anordnung 50, mit denselben Bezugszeichen belegt sind
wie Bau- und Funktionselemente der in der Fig. 5a dar
gestellten Anordnung 50 soll dies den Hinweis auf die
Bau- und Funktionsgleichheit oder -analogie dieser
Elemente und auch den Verweis auf deren andhand der
Fig. 5a erfolgte Beschreibung beinhalten, um Wiederho
lungen zu vermeiden. Selbstverständlich kann die Anord
nung 50′′ auch in der anhand der Fig. 5b erläuterten
Variante realisiert sein. Weiter versteht es sich, daß
eine Anordnung 50′′ auch in der Weise realisiert
sein kann, daß sie lediglich in der der Schaltstellung
I des Betriebsort-Umschaltventils 68 entsprechenden
Betriebsart betreibbar ist, in welchem Falle bei direktem
Anschluß der Testfluid-Leitungen 48 und 53 an die Test
kammer 47 und das Prüfobjekt 11 das Betriebsort-Umschalt
ventil 68 wieder entfallen kann.
Zur Erläuterung einer optischen Anordnung, mittels de
rer sich bei Anordnung 50, 50′ oder 50′′ zur Dicht
heitsprüfung, wie anhand der Fig. 5a bis 5c geschil
dert, in der Nachweiskammer 43 unter Ausnutzung des von
dem Testfluid entfalteten nichtlinearen optischen Ef
fekts ein phasenkonjugierter Spiegel erzielen läßt, der
mit hoher Empfindlichkeit den Nachweis eines Testfluids
ermöglicht, sei nunmehr auf den insgesamt mit 75 be
zeichneten Strahlengang der Fig. 6 verwiesen, der den
den Fig. 1 und 2 entnehmbaren Strahlengängen inso
weit analog ist, als auch bei der optischen Anordnung -
dem Strahlengang 75 - gemäß Fig. 6 die Erzeugung eines
phasenkonjugierten Spiegels nach der sogenannten 4-Wel
len-Mischung und der Nachweis des Testfluids in der
Nachweiskammer 43 und damit der Nachweis eines am Prüf
objekt 11 vorhandenen Lecks durch Messung der Intensi
tät des aus dem Untersuchungsvolumen 12 - phasenkonju
giert - zurückreflektierten Anteils eines Test-Wellen
feldes erfolgt, das mit einem - stehenden - Anregungs
wellenfeld kohärent ist, das durch zwei koheränte elektro
magnetische Wellenfelder entstanden ist, die - im we
sentlichen - dieselbe Intensität und entgegengesetzte
Ausbreitungsrichtung haben, wobei sowohl diese beiden
in entgegengesetzter Richtung laufenden Wellenfelder
als auch das Test-Wellenfeld von einem einzigen primären
Wellenfeld, z. B. dem von einer intensiven IR-Lichtquel
le ausgesandten Primärlichtstrom abgezweigt sind.
Bei der optischen Anordnung gemäß Fig. 6 ist als Strah
lungsquelle ein CO2-Laser 76 vorgesehen, der als Pri
mär-Lichtstrom ein Parallelbündel aussendet, das eine
sehr schmalbandige spetrale Verteilung seiner Intensi
tät um eine Zentrums-Wellenlänge von 10,6 µm hat, das
heißt sehr gut monochromatisch ist, wobei die Licht
leistung dieses Primär-Lichtstromes in einer typischen
Auslegung des CO2-Lasers 76 einen Wert von etwa 10 W
hat und der - kreisrunde - Bündelquerschnitt zwischen
25 und 30 m3 berägt.
Der in der Fig. 6 durch die zentrale Achse 77 seines
Lichtbündels und den seine Ausbreitungsrichtung mar
kierenden Richtungspfeil 78 repräsentierte Primärlicht
strom wird mittels eines als teildurchlässiger Spiegel
ausgebildeten Strahlenteilers 79 und einer insgesamt
vier Umlenkspiegel 81 und 82 sowie 83 und 84 umfassenden
Spiegelanordnung in zwei Teillichtströme gleicher oder
mindestens annähernd gleicher Lichtleistung aufgeteilt,
die von entgegengesetzten Seiten her durch die Fenster
44 und 46 in die Nachweiskammer 43 eintreten und sich
in der Nachweiskammer 43 unter einem sehr kleinen Win
kel ε, der deutlich kleiner als 1° sein kann, kreuzen.
Diese Teillichtstöme, die wiederum durch den Verlauf
der zentralen Achsen 86 und 88 der sie bildenden Par
allelbündel und deren ihre Ausbreitungsrichtungen mar
kierenden Richtungspfeile 87 und 89 repräsentiert sind,
verlaufen beim dargestellten Ausführungsbeispiel in
seitlichem Abstand von dem Primärlichtbündel 77, 78 und
zu diesem annähernd parallel. Die reflektierenden Flä
chen 81′, 82′, 83′ und 84′ der Umlenkspiegel 81 bis 84
sowie die reflektierende Fläche 79′ des als Strahlen
teiler 79 ausgenutzten teildurchlässigen Spiegels ver
laufen senkrecht zu der durch die zentralen Achsen 77,
86 und 88 des Primärlichtstromes 77, 78 und der Teil
lichtströme 86, 87 und 88, 89 markierten Ausbreitungs
ebene dieser Lichtströme, der die Zeichenebene der Fig.
6 entspricht.
Der eine Teillichtstrom, der durch das Fenster 46, ge
mäß Fig. 6 "von rechts her" in die Nachweiskammer 43
eintritt, ist durch zweimalige 90°-Umlenkung des von
dem Strahlenteiler 79 durchgelassenen Anteils des Primär
lichtstromes 77, 78 erzielt, wobei die zentrale Achse
91 des von dem Strahlenteiler 79 durchgelassenen Licht
bündels gegenüber der zentralen Achse 77 des den Primär
lichtstrom 77, 78 bildenden Lichtbündels geringfügig
seitlich versetzt ist, die Ausbreitungsrichtung 78′ des
von dem Strahlenteiler 79 durchgelassenen Teillicht
stromes 91, 78′ jedoch parallel zur Ausbreitungsrichtung
87 des Primärlichtstromes 77, 78 verläuft.
Die die beiden 90°-Umlenkungen des von dem Strahlentei
ler 79 durchgelassenen Anteils 91, 78′ des vom dem CO2-
Laser 76 ausgesandten Primärlichtstromes 77, 78 ver
mittelnden Spiegel 81 und 82 sind symmetrisch bezüglich
einer Längsmittelebene 92 des Strahlenganges 75 angeord
net, die senkrecht zur Ausbreitungsebene der bisher
erläuterten Lichtströme verläuft und durch ihre Spur in
dieser Ausbreitungsebene repräsentiert ist.
Der zweite Teillichtstrom 88, 89, der über das Fenster
44 - "von links her" - in die Nachweiskammer 43 ein
tritt, resultiert aus dem an dem Strahlenteiler 79 mit
kleinem Reflexionswinkel δ1 reflektierten Anteil 93 des
Primärlichtstromes 77, 78 und wird von dem als hochreflek
tierend vorausgesetzten Umlenkspiegels 83 wiederum mit
kleinem Reflexionswinkel δ2 zurück zum Strahlenteiler
79 reflektiert, wobei die zentrale Längsachse 94 des
diesen Teillichtstrom bildenden Lichtbündels mit der
zentralen Längsachse 77 des Primärlichtstromes 77, 78
einen kleinen spitzen Winkel einschließt. Der an dem
Strahlenteiler 79 wiederum mit kleinem Reflexionswinkel
δ3 reflektierte, durch die zentrale Achse 96 seines
Lichtbündels repräsentierte Teillichtstrom 96, dessen
Lichtleistung gegenüber derjenigen des Primärlichtstro
mes 77, 78 um den Faktor R2 reduziert ist, wobei R
das Reflexionsvermögen des Stahlenteilers 79 bezeich
net, wird mittels des weiteren - hochreflektierenden -
Umlenkspiegels 84 unter dem ebenfalls kleinen Reflexions
winkel δ4 als zweiter Teillichtstrom 88, 89 in die
Nachweiskammer 43 gelenkt, in der sich die zentralen
Achsen 86 und 88 der beiden Teillichtströme 86, 87 und
88, 89 unter dem erwähnten kleinen Winkel ε kreuzen.
Aus der Überlagerung der solchermaßen erzeugten - ko
härenten - Teillichtströme 86, 87 und 88, 89 resultiert
in der Nachweiskammer 43 ein stehendes elektromagneti
sches Feld, das als Anregungswellenfeld ausgenutzt wird,
durch das bei Vorhandensein von Testfluid in der Nach
weiskammer 43 die für die Ausbildung eines phasenkonju
gierten Spiegels erforderliche räumlich periodisch va
riierende Struktur der optischen Dichte innerhalb der
Nachweiskammer 43 erzielt wird.
Gleiche Lichtleistung der in entgegengesetzter Richtung
in die Testkammer eintretenden Anregungswellenfelder,
die sich zu einem stehenden Anregungs-Wellenfeld über
lagern, ergibt sich in sehr guter Näherung, wenn das
effektive Reflexionsvermögen des Strahlenteilers 79 62%
und demgemäß sein Transmissionsvermögen 38% betragen.
Der dritte Teillichtstrom, der als Testfeld in die Nach
weiskammer 43 geleitet wird und, wenn sich Testflüssig
keit in der Nachweiskammer 43 befindet, dort eine teil
weise phasenkonjugierte Reflexion in Rückwärtsrichtung
erfährt, so daß aus dem Nachweis des phasenkonjugiert
reflektierten Lichtstromes unmittelbar auf das Vorhanden
sein von Testfluid und dessen Konzentration und mittel
bar auf das Vorhandensein eines Lecks an einem Prüfobjekt
11 geschlossen werden kann, wird von demjenigen vom
Strahlenteiler 79 zu der die zweimalige 90°-Strahlum
lenkung vermittelnden Umlenkspiegelanordnung 81, 82
hinlaufenden Teillichtstrom 96 abgezweigt, der aus der
"zweiten" Reflexion des Primärlichtstromes 77, 78 an
dem Strahlenteiler 79 resultiert und mit der Ausbreitungs
richtung 78 des Primärlichtstromes 77, 78 einen kleinen
Winkel α einschließt, der beim dargestellten Ausführungs
beispiel einen Wert von etwa 2,5° hat. Dieser Teillicht
strom 96, dessen Lichtleistung etwa 23% der Lichtleistung
des Primärlichtstromes 77, 78 beträgt, trifft nach Um
lenkung an dem in Ausbreitungsrichtung gesehenen ersten
Umlenkspiegel 81 auf einen zweiten als teildurchlässiger
Spiegel ausgebildeten Strahlenteiler 97, für den ein
Reflexionsvermögen von 84% und demgemäß eine Durchlässig
keit von nur 16% vorausgesetzt seien, so daß der von
diesem Strahlenteiler 97 weiterlaufende Teillichtstrom
96′ schließlich noch eine maximale Lichtleistung von
3,7% derjenigen des Primärlichtstromes 77, 78 hat. Dieser
Teillichtstrom 96′ wird nach Umlenkung an dem zweiten
Umlenkspiegel 82, etwa um 90°, als Testlichtstrom in
die Nachweiskammer 43 eingekoppelt, wobei die zentrale
Achse 96′′ dieses Testlichtstromes die zentrale Längs
achse der Nachweiskammer 43 zweckmäßigerweise in deren
Zentrum 98 schneidet.
Das bei Vorhandensein von Testfluid in der Nachweiskam
mer auftretende, phasenkonjugiert reflektierte Wellen
feld, das sich entgegen der Ausbreitungsrichtung des
Testwellenfeldes 96′, 96′′ ausbreitet, ist mit einem
durch das Reflexionsvermögen des zweit 01140 00070 552 001000280000000200012000285910102900040 0002004306232 00004 01021en Strahlentei
lers 97 bestimmten, überwiegenden, Anteil zu dem Detek
tor 22′ hin auskoppelbar.
Licht, das zur Erzeugung eines Testfeldes geeignet nie
driger Intensität mittels des zweiten Strahlenteilers
97 aus dem zur Erzeugung des Testfeldes 96′′ ausgenutzten
Teillichtstrom 96′ ausgekoppelt worden ist, wird zur
Vermeidung von störendem Streulicht einer Strahlenfalle
99 zugeleitet und von dieser absorbiert. Funktionsanaloge
Strahlenfallen können auch in anderen Bereichen der
Anordnung 75 zweckmäßig sein.
Als Maßnahme zur Vermeidung von Streulicht in dem Strahlen
gang 75 ist auch vorgesehen, daß die Fenster 44 und 46
der Nachweiskammer 43 gegenüber der Ausbreitungsebene
der Anregungs- und Testwellenfelder eine Neigung haben,
die bezüglich der Normalen der Aufbereitungsebene
zwischen 10° und 20° betragen kann, verzugsweise 15°.
Claims (30)
1. Verfahren zur Dichtheitsprüfung von Behältern und/
oder Gehäusen, wonach ein derartiges Prüfobjekt mit
einem Testfluid beaufschlagt wird, das gegenüber
der Umgebung unter erhöhtem Druck steht, so daß bei
Vorhandensein eines Lecks Fluid aus dem Prüfobjekt
austritt und hieraus das Leck erkannt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Testfluid verwendet wird,
dessen dielektrische Suszeptibilität eine ausge
prägt nichtlineare Abhängigkeit von der Feldstärke
eines elektromagnetischen Wellenfeldes hat, daß aus
dem Prüfobjekt (11) ausgetretenes Testfluid in ei
nem Untersuchungsvolumen (12) einem kohärenten elek
tromagnetischen Wellenfeld ausgesetzt wird, das dem
Testfluid in dem Untersuchungsvolumen eine räumlich
definiert variierende Struktur seiner optischen
Dichte aufprägt, und daß aus einem an dieser Struk
tur phasenkonjugiert reflektierten elektromagneti
schen Wellenfeld auf das Vorhandensein des Fluids
und hieraus auf die Existenz eines Lecks am Prüfob
jekt (11) geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Anregungs-Wellenfeld eine Frequenz bzw.
Frequenzverteilung um eine Mittenfrequenz hat, wel
che innerhalb der Bandbreite einer Absorptionslinie
eines Absorptions-Bandensystems des Testfluids
liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Anregungs-Wellenfeld eine Frequenz hat, die
deutlich höher ist als charakteristische Schwin
gungs-Eigenfrequenzen der Moleküle des Testfluids,
und daß zum Nachweis der von dem Testfluid ausge
henden Strahlung eine Detektionseinrichtung verwen
det wird, deren spektrale Empfindlichkeit bei der
Frequenz des Anregungs-Wellenfeldes vernachlässig
bar gering ist und erst in einem Frequenzabstand
von der Frequenz des Anregungs-Wellenfeldes, der
annähernd einer der Schwingungs-Eigenfrequenzen der
Moleküle des Testfluids, vorzugsweise der niedrigsten
dieser Eigenfrequenzen entspricht, einen hohen Wert
erreicht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß durch kohärente Anregung von Molekülen des Test
fluids eine induzierte Strahlungs-Emission dersel
ben ausgelöst und deren Detektion zum Nachweis des
Testfluids ausgenutzt wird (optisches Pumpen).
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung des für die Detektion ausgenutz
ten phasenkonjugierten Wellenfeldes das Testfluid
zwei Anregungs-Wellenfeldern gleicher Ausbreitungs
richtung aber verschiedener Frequenzen (ω1 und ω2)
ausgesetzt wird, wobei das phasenkonjugierte Wellen
feld dieselbe Ausbreitungsrichtung hat wie die Anre
gungs-Wellenfelder und eine Frequenz (ωpk), deren
Betrag der Differenz der Frequenzen (ω1 und ω2)
entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Frequenzen
(ω1 und ω2) der Anregungs-Wellenfelder durch
die Frequenz (ωpk=ω1-ω2) des phasenkon
jugierten Wellenfeldes den Beziehungen (ω1<ω2)
und (ωpk=ω1-ω2<ω2) genügen, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Auskopplung mindestens ei
nes Teils des phasenkonjugierten Wellenfeldes aus
dem dieses und die Anregungs-Wellenfelder umfassen
den Gesamtwellenfeld ein Kantenfilter verwendet
wird, dessen Transmission erst ab einer Frequenz
(ωτ) einsetzt, die der Relation (ω2<ωτ<ω1-ω2)
genügt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Frequenzen
(ω1 und ω2) der Anregungs-Wellenfelder und die
Frequenz (ωpk=ω1-ω2) des phasenkonjugier
ten Wellenfeldes der Beziehung:
ω1<ω1-ω2<ω2
genügen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung des für die Detektion vorgesehenen Teils des pha senkonjugierten Wellenfeldes aus dem dieses und die Anregungs-Wellenfelder umfassenden Gesamtwellenfeld ein Bandfilter benutzt wird, dessen maximaler Trans missionsgrad bei der Frequenz (ωpk=ω1-ω2) liegt.
ω1<ω1-ω2<ω2
genügen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung des für die Detektion vorgesehenen Teils des pha senkonjugierten Wellenfeldes aus dem dieses und die Anregungs-Wellenfelder umfassenden Gesamtwellenfeld ein Bandfilter benutzt wird, dessen maximaler Trans missionsgrad bei der Frequenz (ωpk=ω1-ω2) liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Frequenz (ω1)
des einen der Anregungswellenfelder dem doppelten
Wert 2ω2 der Frequenz ω2 des anderen Anregungs-
Wellenfeldes entspricht und das phasenkonjugierte
Wellenfeld, dessen Frequenz ebenfalls der Frequenz
(2ω2-ω2)=ω2 des niedriger frequenten An
regungs-Wellenfeldes entspricht, polarisiert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des
phasenkonjugierten Wellenfeldes mittels eines pola
risationsempfindlichen Strahlenteilers aus dem Ge
samtwellenfeld ausgekoppelt und zu der Detektoran
ordnung gelenkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Testfluid in dem Untersuchungsvolumen zwei
Anregungs-Wellenfelder hoher Intensität und glei
cher Ausbreitungsrichtung, jedoch verschiedener
Frequenzen (ω1 und ω2) ausgesetzt wird und einem
dritten Wellenfeld geringer Intensität als Test
feld, dessen Ausbreitungsrichtung streifend ist,
d. h. unter einem sehr kleinen Winkel zu derjenigen
der Anregungs-Wellenfelder verläuft, wodurch ein zu
dem Testfeld phasenkonjugiertes Wellenfeld entsteht,
das unter einem kleinen Winkel zur Ausbreitungsrich
tung der Anregungs-Wellenfelder aus dem Untersu
chungsvolumen austritt und der Detektion unterwor
fen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Testfluid in dem Untersuchungsvolumen (12)
unter Bildung eines stehenden Wellenfeldes zwei An
regungsfeldern (14, 17) gleicher Frequenz und hoher
Intensität, jedoch entgegengesetzter Ausbreitungs
richtung ausgesetzt wird, sowie einem dritten Wel
lenfeld (14′′′) derselben Frequenz, jedoch geringe
rer Intensität als Testfeld, dessen Ausbreitungs
richtung unter einem beliebigen Winkel zu derjeni
gen der Anregungs-Wellenfelder stehen kann, vorzugs
weise unter einem Winkel zwischen 45° und 80° und
daß ein zu dem Testwellenfeld (14′′′) phasenkonju
giertes Wellenfeld (28) als Nachweisfeld für die
Detektion ausgenutzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß als Testfluid ein Gas wie
CO2, NH3, C2H4, CF4, CH3F, oder auch CS2, SF6 ver
wendet wird, das durch Bestrahlung mit einem elektro
magnetischen Wellenfeld aus dem spektralen Bereich
des nahen Infrarot zu mit Rotationen gekoppelten
Eigenschwingungen seiner Moleküle anregbar ist.
2. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß die Intensität des Anre
gungs-Wellenfeldes bzw. der Anregungs-Wellenfelder
und/oder eines Testwellenfeldes vorzugssweise stu
fenlos veränderbar ist/sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Intensitätsvariation zyklisch nach einer
definiert vorgegebenen Zeitfunktion erfolgt, vor
zugsweise zeitlinear innerhalb der Variationszyk
len.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Intensitätsvariation nach einer
Rampenfunktion erfolgt, in deren Verlauf zwischen
ansteigenden und abfallenden Phasen die Intensität
für eine kurze Zeitspanne auf einem niedrigen bzw.
einem hohen Wert konstant gehalten wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Änderungs
phase der Intensität des jeweiligen Anregungs- oder
Testwellenfeldes mindestens einmal und vorzugsweise
fortlaufend der Differentialquotient (dIpk/dIA)
und/oder der Differentialquotient (dIpk/dIT) ermit
telt und mit einem Referenzwert verglichen wird,
der für den Fall gilt, daß in das Untersuchungsvo
lumen aus einem zu prüfenden Testobjekt entwichenes
Testfluid nicht eingeströmt ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens innerhalb ei
ner Änderungsphase des jeweiligen Anregungs- oder
Testwellenfeldes mehrfach und vorzugsweise fortlau
fend der Differentialquotient d2Ipk/dI2 A und/oder
der Differentialquotient d2Ipk/dIT 2 ermittelt wird.
17. Anordnung zur Dichtheitsprüfung von Behältern und
Gehäusen, die mit einem vorzugsweise gas- oder
dampfförmigen Testfluid beaufschlagbar sind, das
gegenüber der Umgebung unter einem erhöhten Druck
steht, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- a) es ist eine als Laser ausgebildete Strahlungs quelle (23) vorgesehen, die ein kohärentes Wel lenfeld mit parallelen, ebenen Wellenfronten aussendet,
- b) es ist ein als teildurchlässiger Spiegel, dessen Reflexionsvermögen zwischen 95% und 98% be trägt, und dessen Transmission zwischen 5% und 2% beträgt, ausgebildeter Reflektor (16) vorge sehen, der den an ihm reflektierten Teil des von dem Laser (23) ausgesandten Wellenfeldes zur Strahlungsquelle hin zurückreflektiert,
- c) es ist eine Umlenkspiegel-Anordnung (24, 26) vor gesehen, mittels derer mindestens ein Teil des von dem teildurchlässigen Spiegel (16) durchge lassenen Wellenfeldes (14′) als Testwellenfeld in einen Raumbereich umlenkbar ist, in dem - zwi schen der Strahlungsquelle (23) und dem teilre flektierenden Spiegel (16) - das stehende Wel lenfeld (14, 17) vorliegt und
- d) im Ausbreitungspfad des Testwellenfeldes und in dem mit diesem geometrisch zusammenfallenden Ausbreitungsbereich eines aus der Wechselwirkung des Testwellenfeldes (14′′′) mit in den sowohl dem stehenden Wellenfeld (14, 17) als auch dem Testwellenfeld (14′′′) ausgesetzten Bereich gelang tem Testfluid resultierenden, phasenkonjugierten Wellenfeldes (28) ist ein weiterer teildurch lässiger Spiegel (29), vorzugsweise ein Spiegel mit einem Transmissionsvermögen von 50%, ange ordnet, mittels dessen ein entsprechender Anteil (28′) des phasenkonjugierten Wellenfeldes (28) zu einer Detektor-Anordnung (32) hin umlenkbar ist.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer der Umlenkspiegel (24 bzw. 26)
mittels dessen das Testwellenfeld (14′′′) in den
Bereich des - stehenden - Anregungs-Wellenfeldes
(14, 17) umlenkbar ist, um eine senkrecht zur Aus
breitungsebene des Testwellenfeldes (14′′, 14′′′)
verlaufende Achse (27) mindestens innerhalb eines
begrenzten Drehwinkelbereiches drehbar ist, und daß
das Testobjekt (11) parallel zur Drehachse (27) des
drehbaren Spiegels (26) hin- und her- bzw. auf- und
abverfahrbar ist.
19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß der drehbare Spiegel als ein Polygonspiegel
ausgebildet ist, dessen reflektierende Flächen in
axialsymmetrischer Anordnung um die Drehachse (27)
des Spiegels gruppiert sind.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, da
durch gekennzeichnet, daß der zur Umlenkung eines
Teils des mit dem Testwellenfeld phasenkonjugierten
Wellenfeldes (28, 28′) vorgesehene, weitere teil
durchlässige Spiegel (29) zwischen dem drehbaren
Spiegel (26) und dem das Testwellenfeld zu dem
drehbaren Spiegel hin umlenkenden Spiegel (24) an
geordnet ist.
21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß der teildurchlässige Spiegel (29) mit derjeni
gen Orientierung seiner teilreflektierenden Fläche
in den Strahlengang der Anordnung (10) eingefügt
ist, daß die Ausbreitungsrichtung des an dem teil
durchlässigen Spiegel (29) teilweise reflektierten
phasenkonjugierten Wellenfeldes (28′) parallel oder
annähernd parallel zur zentralen Achse (13) des An
regungs-Wellenfeldes (14, 17) verläuft.
22. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, da
durch gekennzeichnet, daß das zur Erzeugung des aus
dem Untersuchungsvolumen (12) austretenden phasen
konjugierten Wellenfeldes ausgenutzte Testwellen
feld ein durch Fokussierung eines als Parallelbün
del erzeugten Wellenfeldes auf eine Blendenöff
nung (37) entstandenes divergentes Wellenfeld ist.
23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die zum Nachweis des phasenkonjugierten Wellen
feldes vorgesehene Detektor-Einrichtung als geord
nete Matrix-Anordnung einer Vielzahl von Detektoren
ausgebildet ist.
24. Anordnung zur Dichtheitsprüfung von Behältern und
Gehäusen, die nach dem Prinzip arbeitet, ein am
Prüfobjekt vorhandenes Leck durch den Nachweis
eines über das Leck in ein Untersuchungsvolumen
einströmenden, gas- oder dampfförmigen Testfluids
zu erfassen, wobei dessen Nachweis durch Detektion
eines aus dem Untersuchungsvolumen phasenkonju
giert reflektierten Anteils eines elektromagneti
schen Testfeldes erfolgt, dem das Testfluid in dem
Untersuchungsvolumen gleichzeitig mit einem kohä
renten elektromagnetischen Anregungswellenfeld
aussetzbar ist, durch deren Wechselwirkung mit dem
Testfluid ein phasenkonjugierter Spiegel entsteht,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) eine das Prüfobjekt (11) aufnehmende, evakuier bare Testkammer (47) vorgesehen ist, innerhalb derer das Prüfobjekt (11) mit dem Testfluid beaufschlagbar ist, entweder derart, daß in die Testkammer (47) eingeleitetes Testfluid über ein Leck des Testobjekts (11) in dieses überströmt, oder derart, daß in das Testobjekt (11) eingeleitetes Testfluid aus diesem in die Testkammer (47) überströmt, daß
- b) eine das Untersuchungsvolumen (12) begrenzen de, dem Anregungswellenfeld und dem Testwel lenfeld aussetzbare Nachweiskammer (43) vorge sehen ist, der über eine Testfluid-Leitung (53) der über das Leck des Testobjekts (11) fließende Testfluid-Strom zugeleitet ist, und daß
- c) eine Vakuumpumpe (51) vorgesehen ist, mittels derer in der Nachweiskammer (43) ein definier ter, dem Betrage nach niedriger Druck ein stellbar ist.
25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich
net, daß die den Testfluid-Strom zur Nachweiskam
mer (43) führende Fluid-Leitung (53) mit einer
Drossel (64), vorzugsweise einer Drossel mit ein
stellbarem Strömungswiderstand versehen ist.
26. Anordnung nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, da
durch gekennzeichnet, daß der von der Nachweiskam
mer (53) zur Saugseite (52) der zur Evakuierung
der Nachweiskammer (43) vorgesehenen Pumpe (51)
führende Testfluid-Strömungspfad über ein Moleku
larsieb (67) führt, das für die Testfluid-Moleküle
undurchlässig oder zumindest annähernd undurchläs
sig ist.
27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich
net, daß das Volumen der Testkammer (47) und/oder
des Prüfobjekts (11), aus dem das Testfluid der
Nachweiskammer (43) zugeleitet ist, deutlich grö
ßer ist als deren Volumen, und daß eine Förderpum
pe (66) vorgesehen ist, durch deren Aktivierung
mindestens zeitweise ein erhöhter Testfluid-Strom
zu der Nachweiskammer (43) erzielbar ist.
28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeich
net, daß als Testfluid ein Gas verwendet ist, des
sen Molekulargewicht größer ist als dasjenige der
Luft-Sauerstoffmoleküle, und daß die Förderpumpe
(66) als Molekularpumpe ausgebildet ist.
29. Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, da
durch gekennzeichnet, daß ein Betriebsart-Umschalt
ventil (68) vorgesehen ist, in dessen einer Funk
tionsstellung die Testfluid-Zufuhr über das Test
objekt (11) erfolgt und der zum Lecknachweis aus
genutzte Testfluid-Strom durch Evakuierung der
Testkammer (47) erzielbar ist, und in dessen an
derer Funktionsstellung die Testfluid-Zufuhr über
die Testkammer (47) und die Erzeugung des zum Leck
nachweis ausgenutzten Testfluid-Stromes durch Eva
kuierung des Testobjekts (11) erfolgt.
30. Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, da
durch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flä
chen zur Einkopplung des Anregungswellenfeldes und
des Testwellenfeldes in das Untersuchungsvolumen
(12) der Testkammer (43) sowie zur Auskopplung des
im Untersuchungsvolumen (12) phasenkonjugiert re
flektierten Nachweis-Wellenfeldes vorgesehener
Ein- und Auskoppelfenster (44, 46) der Nachweis
kammer (43) gegenüber der Ausbreitungsebene der
das Anregungswellenfeld, das Testfeld und das
phasenkonjugiert reflektierte Wellenfeld bildenden
Lichtströme unter einem von 90° verschiedenen Win
kel verlaufen und mit dieser Ausbreitungsebene
einen Winkel zwischen 70° und 80°, vorzugsweise
einen Winkel von 75° einschließen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934306232 DE4306232A1 (en) | 1992-02-27 | 1993-02-27 | Phase-coupled coherent electromagnetic field leakage detector - using test fluid having dielectric susceptibility which exhibits nonlinear dependence on applied coherent EM field which produces spatially varying optical density in gas |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4205999 | 1992-02-27 | ||
DE19934306232 DE4306232A1 (en) | 1992-02-27 | 1993-02-27 | Phase-coupled coherent electromagnetic field leakage detector - using test fluid having dielectric susceptibility which exhibits nonlinear dependence on applied coherent EM field which produces spatially varying optical density in gas |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4306232A1 true DE4306232A1 (en) | 1993-09-02 |
Family
ID=25912239
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934306232 Withdrawn DE4306232A1 (en) | 1992-02-27 | 1993-02-27 | Phase-coupled coherent electromagnetic field leakage detector - using test fluid having dielectric susceptibility which exhibits nonlinear dependence on applied coherent EM field which produces spatially varying optical density in gas |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4306232A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19853049A1 (de) * | 1998-11-17 | 2000-06-21 | Joachim Franzke | Vorrichtung und Verfahren zum Feststellen eines Lecks sowie Verwendung einer solchen Vorrichtung für die Lecksuche |
-
1993
- 1993-02-27 DE DE19934306232 patent/DE4306232A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19853049A1 (de) * | 1998-11-17 | 2000-06-21 | Joachim Franzke | Vorrichtung und Verfahren zum Feststellen eines Lecks sowie Verwendung einer solchen Vorrichtung für die Lecksuche |
DE19853049C2 (de) * | 1998-11-17 | 2001-09-06 | Joachim Franzke | Vorrichtung und Verfahren zum Feststellen eines Lecks sowie Verwendung einer solchen Vorrichtung für die Lecksuche |
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