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Die Erfindung bezieht sich auf ein Lecknachweisverfahren nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiges Lecknachweisverfahren ist aus der DE-A-3 204 327 bekannt.
Nach diesem Dokument wird die Saugöffnung auf der Oberfläche des
Behälters angeordnet. Es gibt keine Vorrichtung für ein mechanisches Bewegen
der Saugöffnung und für einen automatischen Ablauf des
Lecknachweisverfahrens. Bei dem vorbekannten Verfahren stammt das Licht von einem
Metalldraht, der elektrisch erhitzt ist.
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US-A-4,772,789 bezieht sich auf ein automatisch arbeitendes
Leckabbildungsverfahren, das in der Lage ist, den Ort und die Größe aller
Leckströme nachzuweisen, die aus dem Druckbehälter austreten. Der Außenraum
um den Behälter wird beleuchtet mit einer Lichtquelle bei einer
Wellenlänge, die von mit Schwefelhexafluorid vermischter Luft absorbiert wird. Eine
Videokamera wird zur Abbildung des Behälters benutzt, das Bild wird
elektronisch gespeichert. Dann wird der Druckbehälter mit einem Licht bei
einer Wellenlänge beleuchtet, die nicht von mit Schwefelhexafluorid
vermischter Luft absorbiert wird. Das erhaltene, zweite Bild wird ebenfalls
elektronisch gespeichert. Die gespeicherten Bilder werden sodann
elektronisch verglichen und analysiert für Nachweis, Ordnen und Ausmessen
jeglicher aus dem Behälter austretender Luftströme, die mit
Schwefelhexafluorid vermischt sind. Die Absorptionsrate kann bei der P(16) 10,55 Mikrometer
Linie eines CO&sub2;-Lasers erhöht werden.
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Dieses bekannte Verfahren ist schwierig durchzuführen bei Behältern mit
komplizierter Struktur. Oberflächenbereiche des Behälters, die der
Videokamera verborgen sind, können nicht geprüft werden.
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Ausgehend von dem bekannten Verfahren nach der DE-A-3 204 327 ist es
die Aufgabe der Erfindung, das bekannte Lecknachweisverfahren zu
verbessern, es automatisch durchführbar zu machen, es einfacher im Ablauf zu
gestalten und das Lichtsystem zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäβ Anspruch 1.
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FIG. 1 ist ein Blockdiagramm, aus dem der Aufbau der
Lecknachweisvorrichtung für Druckbehälter nach einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung hervorgeht.
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Die Figuren 2 (A), 2 (B) und 2 (c) sind Diagramme, die Beispiele für die
Messung eines P(16)-Linien-Laserlichts mittels der Absorptionszelle gemäβ
FIG. 1 zeigen.
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FIG. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Aufbau einer
Lecknachweisvorrichtung für Druckbehälter nach einem anderen
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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FIG. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Aufbau einer
Lecknachweisvorrichtung für Druckbehälter nach einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1
einen Druckbehälter, dessen Innenraum druckbeaufschlagt wird durch von
außen zugeführte Luft, der Schwefelhexafluorid (im folgenden mit SF&sub6;
bezeichnet) zugemischt ist. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet die Schweiβnähte
des Behälters 1, dort ist die Gefahr für das Auftreten eines Lecks am
höchsten. Die Bezugsziffer 3 bezeichnet eine Saugöffnung, die
beispielsweise die Form eines Trichters hat und die ein unteres Teilstück aufweist,
das einen nachgiebigen Kragen hat, sodaß sie geeignet ist für ein
Einsaugen von Luft, während sie bewegt wird. Weiterhin hat sie ein oberes
Teilstück, das an ein Ende eines flexiblen Schlauches, in dem Unterdruck
herrscht, angeschlossen ist. Die Position der Saugöffnung wird mittels
eines Profilroboters 17, dem zu Eingang die Positionen der Schweiβnähte 2
eingegeben worden sind, entlang dem Profil nachgeführt. Das andere Ende
des flexiblen Schlauches 4 ist mit dem Lufteinlafβ einer Absorptionszelle 5
verbunden.
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Die Absorptionszelle 5 ist ein abgeschlossener Raum, dessen Endbereich
aus einem Material gefertigt sind, das transparent ist für Licht von
Wellenlängen im Infrarotbereich, und der eine vorgegebene Zellenlänge,
beispielsweise 30 cm, hat ein Lufteinlaβ und ein Luftauslaβ sind ebenfalls
vorgesehen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Lufteinlaβ der Absorptionszelle 5
verbunden mit der Saugöffnung 3 durch den flexiblen Schlauch 4, der
Luftauslaβ ist mittels eines Rohres 15 an eine Saug- und Auslaβeinheit 6
angeschlossen. Hierdurch flieβt ständig Luft mit einer vorgegebenen
zeitlichen Menge durch die Absorptionszelle 5, sodaβ dann, wenn die
Saugöffnung 3 über ein Leck positioniert wird, SF&sub6;-enthaltende Luft in die
Absorptionszelle 5 eingebracht wird. Um diese nachzuweisen, wird P(16)-
Linien-Laserlicht eines Kohlendioxydgaslasers in die Absorptionszelle 5
eingeleitet. Die Bezugsziffer 7 bezeichnet den Kohlendioxydlaser (der im
folgenden als CO&sub2;-Laser bezeichnet wird), er gibt Laserlicht mit einer
Wellenlänge von 10,6 Micrometer (im folgenden als P(16)-Linien-Laserlicht
bezeichnet) ab. Bezugsziffer 8 bezeichnet einen Helium-Neon-Laser (der im
folgenden als He-Ne-Laser bezeichnet wird) und der rotes Licht abgibt, er
wird als Nachweislaser benutzt, um die optische Achse des CO&sub2;-Lasers
prüfen und nachweisen zu können. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet ein
Spektralanalysegerät, das ein Meβgerät für ein Erfassen der Wellenlänge des vom
CO&sub2;-Laser 7 abgegebenen Lichtes ist. Die Bezugsziffer 10 bezeichnet einen
Lichtsensor, der Licht in der Nähe der Wellenlänge 10,6 Micrometer erfaβt,
es umwandelt und ein elektrisches Signal abgibt. Die Bezugsziffer 11
bezeichnet einen Verstärker, der ein von dem Lichtsensor 10 erhaltenes, an
seinem Eingang anliegendes Signal verstärkt und es an ein Nachweisgerät
12 und einen Leckdiskriminator 16 weitergibt. Die Bezugsziffer 12
bezeichnet das Nachweisgerät, mit dem der Ausgang des Verstärkers 13 angezeigt
wird, 14 ist ein Halbspiegel, der einen Teil des einfallenden Licht
reflektiert und einen Teil des einfallenden Lichtes durchläβt, 15 ist ein Rohr,
das den Luftauslaβ der Absorptionszelle und die Saug- und Auslaβeinheit
verbindet, 16 ist der Leckdiskriminator, mit dem in Abhängigkeit von einer
Änderung im Ausgangssignal des Verstärkers 11 das Vorliegen eines Lecks
diskriminiert wird.
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Die Figuren 2 (A), 2 (B) und 2 (C) sind Diagramme die Beispiele für
Messungen der P(16)-Linie des Laserlichtes in der Absorptionszelle gem. FIG. 1
zeigen, jedes der Beispiele zeigt die gemessenen Werte der durchgelassenen
Lichtintensität des einfallenden P(16)-Linien-Laserlichts in die
Absorptionszelle für den Fall, daβ in dieser Vakuum vorliegt und für den Fall, daβ
ein Gasgemisch mit SF&sub6; vorliegt, das eine Konzentration von 1ppm, 5ppm
oder 10 ppm mit Stickstoff (N&sub2;) hat.
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Im folgenden wird der Arbeitsablauf für das Ausführungsbeispiel gem.
Figur 1 unter Bezugnahme auf die Figuren 2 (A), 2 (B) und 2 (C) beschrieben.
Um Leckagen im Druckbehälter 1 nachzuweisen, wird dessen Innenraum mit
Luft, der SF&sub6; mit einer Konzentration von ungefähr 5 ppm bis 10 ppm
zugemischt ist, druckbeaufschlagt. Da die Schweiβnähte 2 und die
Anschluβbereiche des Druckbehälters allgemein diejenigen Bereiche sind, bei denen
die höchste Wahrscheinlichkeit für ein Leck vorliegt, werden dem
Profilroboter 17 eingangs die Form des Druckbehälters 1 und die Positionen der
Schweiβnähte 2 eingegeben. Der Profilroboter 17 steuert die Position der
Saugöffnung 3, die mit dem flexiblen Schlauch 4 verbunden ist, derart, dar
die Saugöffnung 3 profilmäβig entlang der äußeren Oberfläche des
Druckbehälters 1 entlanggeführt wird, sodaβ alle diejenigen Bereiche linienhaft
abgefragt werden, die inspiziert werden sollen, wie beispielsweise die
Schweiβnähte 2, dabei wird nach und nach Luft aus der Umgebung dieser
Bereiche eingesaugt. In diesem Fall wird die Saugöffnung 3 nicht in engen
Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Druckbehälters 1 gebracht,
vielmehr wird ein schmaler Spalt dazwischen aufrechterhalten, sodaβ die Luft
in Umgebung der Saugöffnung ebenso eingesaugt wird und demgemäβ Luft
in einer kleinen zeitlichen Menge (z. B. einige ACC/s) kontinuierlich fließt.
Damit diese in konstanter Rate fließende Luft ständig fließt, pumpt die
Saug- und Auslaßeinheit 6 ständig Luft durch die Saugöffnung 3, den
flexiblen Schlauch 4, die Absorptionszelle 5 und das Rohr 15. Dadurch wird
Luft bei konstanter zeitlicher Rate kontinuierlich in die Absorptionszelle
5 aus der Nähe der Saugöffnung 3 eingeführt, sodaß auch dann, wenn die
Saugöffnung 3 am Ort eines Lecks, beispielsweise der Schweiβnaht 2 oder
einem mechanischem Anschluβbereich positioniert ist, SF&sub6;-enthaltende Luft
in die Absorptionszelle 5 eingeleitet wird und diese Luft für eine Zeit in
der Zelle verbleibt. Der CO&sub2;-Laser 7 wird zuvor mittels des
Spektralanalysegerätes 9 eingestellt, er gibt P(16)-Linien-Laserlicht ab (also Licht mit
einer Wellenlänge von 10,6 Micrometer). Weiterhin wird der optische Weg
des CO&sub2;-Laserlichtes vorneherein mittels des Ausgangslichtes (des roten
Lichtes) des identifizierenden He-Ne-Lasers 8 so justiert, daβ er entlang
der zentralen Achse der Absorptionszelle 5 verläuft. Die Enden der
Absorptionszelle
5 sind aus einem Material gefertigt, das transparent ist für
Licht von Wellenlängen im Infrarotbereich, sodaß das CO&sub2;-Laserlicht, das
eine Wellenlänge von 10,6 Micrometer hat, an einem Endbereich in die
Absorptionszelle 5 eintreten kann und das durchgelassene Licht am anderen
Endbereich austreten kann. In Abhängigkeit davon, ob SF&sub6; innerhalb der
Absorptionszelle 5 vorliegt, wird eine Veränderung in der Rate des
durchgelassenen Laserlichts bewirkt, wenn P(16)-Linien Laserlicht des
CO&sub2;-Lasers entlang des optischen Wegs die Absorptionszelle 5 durchläuft. Das
durch die Absorptionszelle 5 durchgelassene Laserlicht wird zunächst
durch den Lichtsensor 10 in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann
durch den Verstärker 11 verstärkt, dabei wird ein Ausgangssignal erzeugt.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 11 wird mittels eines Anzeigegerätes 12
angezeigt und zudem dem Leckdiskriminator 16 zugeleitet, der zwischen dem
Vorliegen eines Lecks und dem Nichtvorliegen eines Lecks im
Druckbehälter 1 unterscheidet. Der Ausgang des Leckdiskriminators 16 wird
rückgekoppelt an den Roboter 17, sodaβ aufgrund der Bezugnahme auf die
Ergebnisse der Leckdiskriminierungssignale aus dem Leckdiskriminator 16 der
Roboter 17 die Position der Saugöffnung 3 der Gestalt steuert, daβ die
Positionen von Lecks und die Form von Lecks im Druckbehälter 1
zutreffend erfaßt werden können.
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Jede der Figuren 2 (A), 2 (B) und 2 (C) zeigt Änderungen der Intensität des
durchgelassenen Lichts aufgrund der Absorption des eingestrahlten CO&sub2;-
Laserlichts von 10,6 Micrometer Wellenlänge in Fällen, bei denen ein
Vakuum in der Absorptionszelle 5 vorliegt und im Fall, daß Stickstoff gemischt
ist mit einer Spur (1 ppm, 5 ppm oder 10 ppm) an SF&sub6;. Dadurch kann der
Leckdiskriminator 16 das Vorhandensein eines Lecks im Druckbehälter 1
feststellen, indem er die Größe einer derartigen Veränderung erfaßt.
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In Figur 3 ist ein schematisches Blockdiagramm dargestellt, daß die
Ausbildung einer Lecknachweisvorrichtung für Druckbehälter nach einem
anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Figur
bezeichnen die Bezugsziffern 1 bis 4, 6, 14, 15 und 17 dieselben Teile wie in
Figur 1. Bezugsziffer 21 bezeichnet eine Absorptionszelle mit vielfacher
Reflexion, diese Zelle 21 ist ein abgeschlossener Raum, der einen Eingang
für einfallendes Licht und einen Auslaß für reflektiertes Licht hat, beide
sind aus einem Material hergestellt, das transparent ist für Licht bei
Wellenlängen im infraroten Bereich, weiterhin hat die Zelle einen Lufteinlaß
und einen Luftauslaß. Das vom Eintrittsfenster durchgelassene Licht der
Absorptionszelle 21 mit vielfacher Reflexion wird einer vielfachen
Reflexion unterworfen (das bedeutet, daß der optische Weg verlängert wird im
Umfang der vielfachen Reflexion) innerhalb der Zelle durch gegenständig
angeordnete, konkave Spiegel, die im Infraroten reflektieren und innerhalb
der Zelle angeordnet sind, das reflektierte Licht tritt wieder nach außen
durch ein Fenster für reflektiertes Licht. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Absorptionszelle 21 mit vielfacher Reflexion ein Sensor, wenn SF&sub6;
der in die Zelle 21 eingesaugten Luft zugemischt ist, wird nur das
einfallende Laserlicht beim 10,6 Micrometer Wellenlänge im Zuge der mehrfachen
Reflexion innerhalb der Zelle absorbiert und demgemäß als Ausgang das
geschwächte Licht durch das Ausgangsfenster für reflektiertes Licht
ausgelassen. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet einen CO&sub2;-Laser, der zwei
Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abgibt, nämlich ein P(16)-Linien
Laserlicht mit einer Wellenlänge lambda&sub1; das die Wellenlänge 10,6
Micrometer hat und ein Referenzlicht mit einer Wellenlänge lambda&sub2; das eine
geringfügig andere Wellenlänge als lambda&sub1; hat. So kann das Referenzlicht mit
der Wellenlänge lambda&sub2; beispielsweise 8P(18)-Linien Laserlichts mit einer
Wellenlänge lambda&sub2;, die 10,57 Micrometer beträgt.
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Das Bezugszeichen 23 bezeichnet einen Kalibrator und Monitor für ein
Eichen und Justieren des CO&sub2;-Lasers 22 sodaß die beiden für die Messung
verwendeten, geringfügig in ihrer Wellenlänge (oder Frequenz)
unterschiedlichen Wellenlängen vom CO&sub2;-Laser 22 erzeugt werden. Die Meβvorrichtung
wird benutzt um eine anfängliche Justierung der beiden Lichtemissionen
bei den Wellenlängen lambda&sub1; und lambda&sub2;, die vom CO&sub2;-Laser 22 erzeugt
werden, einzujustieren und während der Messung zu überwachen. Das
Bezugszeichen 24 bezeichnet ein optisches Filter für das aus der
Absorptionszelle 21 mit vielfacher Reflexion austretende Licht und hat ein Filter
11, das nur das Licht der Wellenlänge lambda1 durchläßt, und ein Filter 12,
das nur das Licht der Wellenlänge lambda&sub2; durchläßt. Das Bezugszeichen 25
bezeichnet einen Lichtsensor, der die Lichtdetektoren m&sub1; und m&sub2; für den
Nachweis von Licht bei den Wellenlängen lambda&sub1; und lambda&sub2;, das von
den Filtern 11 bzw. 12 durchgelassen ist, aufweist. Die Bezugsziffern 26-1
und 26-2 bezeichnen mit #1 einen Verstärker und mit #2 einen Verstärker
für die jeweilige Verstärkung des von den Lichtdetektoren m1 und m&sub2;
erhaltenen Eingangssignals und Ausgabe eines Ausgangssignals. Die
Bezugsziffer 27 bezeichnet einen Teiler, mit dem der Ausgangswert des #1
Verstärkers
26-1 durch den Ausgangswert des #2 Verstärkers 26-2 geteilt wird,
um das Verhältnis der Lichtintensitäten bei den Wellenlängen lambda&sub1; und
lambda&sub2; als Quotient dieser Division zu berechnen. Die Bezugsziffer 28
bezeichnet einen Microprozessor (im folgenden CPU genannt), der Speicher
aufweist, beispielsweise ROM und RAM, um Programme und gemessene Daten
usw. zu speichern. Die Bezugsziffer 29 bezeichnet ein Nachweisgerät für die
Ausgabe der gemessenen Ergebnisse.
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Der Verfahrensablauf für das Ausführungsbeispiel 3 wird im folgenden
beschrieben. Die Verfahrensschritte des Druckbeaufschlagens des
Innenraums des Druckbehälters 1 mit Luft, der in Spuren SF&sub6; zugemischt ist,
des Kontrollierens der Position der Saugöffnung 3, die mit dem flexiblen
Schlauch 4 verbunden ist, mittels des Profilroboters 17, des Einsaugens
der nahen Umgebungsluft, während die Saugöffnung profilkontrolliert
entlang der äußeren Oberfläche (insbesondere der Schweißnähte 2 usw.) des
Druckbehälters 1 geführt wird, um Leckagen an diesem Druckbehälter 1
nachzuweisen, ist ebenso wie für den Fall der Figur 1. Im Fall von Figur 3
ist jedoch das andere Ende des flexiblen Schlauches 4 an den Lufteinlaß
der Absorptionszelle mit vielfacher Reflexion 21 angeschlossen und das
eine Ende des Rohres 15 ist an den Luftauslaß dieser Zelle 21
angeschlossen. Demzufolge bewirkt die Saug- und Auslaβeinheit einen
kontinuierlichen Sog durch die Saugöffnung 3, den flexiblen Schlauch 4, die
Absorptionszelle 21 mit mehrfacher Reflexion und das Rohr 15. Wie im Fall von
Figur 1 wird dann, wenn die Saugöffnung 3 SF&sub6; enthaltende Luft von der
Stelle eines Lecks ansaugt, diese SF&sub6;-enthaltende Luft in die
Absorptionszelle 21 mit vielfacher Reflexion eingeleitet und bleibt für eine Zeit in
dieser Zelle. Nachdem seine beiden Ausgangswellenlängen zuvor mittels des
Kalibrators und Monitors 23 einjustiert wurden, sendet der CO&sub2;-Laser 22
sowohl P(16)-Linien Laserlicht mit der Wellenlänge lambda&sub1; (= 10,6
Micrometer) als auch Referenzlicht mit der Wellenlänge lambda&sub2;, die geringfügig
unterschiedlich ist von der ersten, in die Absorptionszelle 21 mit
mehrfacher Reflexion durch das Eingangsfenster. Wenn die SF&sub6;-enthaltende Luft
in der Absorptionzelle 21 mit mehrfacher Reflexion anwesend ist, wird das
P(16)-Linien Laserlicht der Wellenlänge lambda&sub1; der eingestrahlten
Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen absorbiert im Verlaufe der
mehrfachen Reflexion, dagegen wird das Referenzlicht der Wellenlänge lambda&sub2;
praktisch nicht absorbiert, beide treten wieder am Fenster für
reflektiertes Licht aus. Demgemäβ liegt also eine Änderung in der Intensität des
P(16)-Linien Laserlichts der Wellenlänge lambda&sub1;, das am Ausgangsfenster
vorhanden ist, in Abhängigkeit davon vor, ob SF&sub6; in der Absorptionszelle
21 mit mehrfacher Reflexion enthalten ist oder nicht, praktisch keine
Änderung hat aber die Intensität des Referenzlichtes der Wellenlänge
lambda&sub2;. Das P(16)-Linien Laserlicht mit der Wellenlänge lambda&sub1;, das von
dem Fenster für reflektiertes Licht der Absorptionszelle 21 mit mehrfacher
Reflexion austritt, wird nach dem Filter 11 des Filters 24, dem
Lichtdetektor m&sub1; des Lichtsensors 25 und dem #1 Verstärker 26-1 dem einen Eingang
des Teilers 27 zugeführt, entsprechend wird das Referenzlicht der
Wellenlänge lambda&sub2; dem anderen Eingang dieses Teilers 27 über das Filter 12
des Filters 24, den Lichtdetektor m&sub2; des Lichtsensors 25 und den #2
Verstärker 26-2 zugeleitet. Der Teiler 27 teilt die Ausgangswerte des #1
Verstärkers 26-1 durch den Ausgangswert des #2 Verstärkers 26-2 und
berechnet das Verhältnis zwischen den beiden Lichtintensitäten. Das auf diese
Weise berechnete Verhältnis der Lichtintensitäten des P(16)-Linien
Laserlichts der Wellenlänge lambda&sub1; zum Referenzlicht der Wellenlänge lambda&sub2;
wird der CPU 28 zugeleitet. Entsprechend diesen Eingangsdaten ermittelt
die CPU 28 die Präsens oder das Fehlen einer Absorption des P(16)-Linien
Laserlichts, sodaß das Ergebnis des Nachweis es an der Anzeigevorrichtung
29 angezeigt wird, ebenfalls wird angezeigt, ob ein Leck im Druckbehälter 1
vorliegt oder nicht, dies in Abhängigkeit von dem Ergebnis des
Nachweises, das Ergebnis der Diskriminierungsstufe wird dem Roboter 7 wieder
zugeführt. Unter Berücksichtigung dieses Rückkopplungssignals steuert der
Roboter 17 die Position der Saugöffnung 3 dergestalt, daß die Positionen
von Lecks und die Form eines Lecks im Druckbehälter 1 genau ausgemessen
werden können.
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Wenn auch in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die
vorliegende Erfindung beschrieben wurde in ihrer Anwendung für den Nachweis
von Lecks in Druckbehältern, so ist sie auch anwendbar nicht nur für
einen Drucktest von Druckbehältern, sondern auch für einen Test auf
Gasdichtigkeit von hermetisch abgeschlossenen Behältern.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können als Gas für die
Beaufschlagung derartiger Behälter eingesetzt werden Luft, Edelgase,
Stickstoff usw.