WO2013072173A2 - Schnelle lecksuche an formsteifen/schlaffen verpackungen ohne zusatz von prüfgas - Google Patents

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WO2013072173A2
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Definitions

  • the invention relates to a device for leak detection on a test specimen.
  • leaks in a specimen are measured by placing the specimen in a rigid test chamber.
  • the test chamber is then evacuated and measured the pressure profile in the chamber after disconnecting the chamber from the pump. If the test piece has a leak, gas escapes from the test piece into the chamber, which increases the pressure in the test chamber. The pressure increase is measured and serves as an indication of a leak of the test object.
  • the pressure within the test chamber is not affected solely by leakage in the test chamber It is also affected by temperature changes in the test chamber or by desorption of gases on inside surfaces of the test chamber, which results in measurement errors in the leak detection. These disturbing influences are greater, the larger the volume of the test chamber and the greater the pressure during the measurement within the test chamber.
  • the volume of the test chamber can not be arbitrarily reduced, because the shape, size and number of specimens require a specific chamber volume.
  • the pressure during the measurement within the test chamber can not be arbitrarily reduced because of the risk of deformation, damage or even bursting of the test object, in particular in the case of soft, low-dimensional test objects such as, for example, packaging.
  • test chambers in which at least one wall region and preferably the entire test chamber consists of a flexible, preferably elastically deformable material, such as a film.
  • the flexible wall region is formed in the region of the chamber in which the test object is located during the leakage measurement.
  • the flexible chamber wall conforms to the DUT, thereby reducing the chamber volume.
  • the flexible wall area which conforms to the test object, supports the test object and prevents deformation or even bursting of the test object. This is particularly in the case of weak DUT from a soft material, such as packaging, advantage.
  • Such film test chambers are described, for example, in JP-A 62-112027, EP 0 152 981 A1 and EP 0 741 288 B1.
  • JP-A 62-112027 describes detecting the escaping gas with a gas detector.
  • EP 0 152 981 AI describes an evacuation of the film chamber, wherein the pressure difference between the pressure in the film chamber and a Reference pressure within a reference volume is considered. If this pressure difference deviates from zero, a leak is considered to be detected.
  • EP 0 741 288 B1 a film chamber is pressurized and the leak pressure is measured at a certain point in time. If a threshold is exceeded, a leak is considered detected.
  • the invention has for its object to provide a device for leak detection on a specimen, which allows rapid leak detection.
  • the device according to the invention is defined by the features of claim 1.
  • the leakage detection is performed by measuring the total pressure rise of the pressure within the test chamber.
  • the test for possible leaks takes place without the aid of test gas. Direct gas exchange between the test chamber and the total pressure sensor is not necessary in this case, so that no gas has to flow from the leakage to the pressure sensor.
  • Total pressure is the absolute pressure within the film test chamber.
  • the term total pressure here serves to differentiate the known from the prior art leakage detection by evaluation of a differential pressure.
  • the shape of the pressure rise curve serves for a quick assessment of whether a leak exists.
  • the course of the pressure increase is more accurate than merely monitoring threshold values or measuring differential pressures.
  • the rapid evaluation of the course of the total pressure rise enables a fully automated and particularly fast measuring cycle for use in fully automated leak tests.
  • the test chamber consists of one or more flexible films into or between which the test object is introduced.
  • the foil or the foils can be interconnected and closed by clamping elements such as brackets.
  • a gas-permeable material or a gas-permeable structure on an inner wall portion of the test chamber in the region of the specimen allows gas flow around the specimen, even after nestling the flexible test chamber wall to the specimen, thereby allowing further evacuation of the entire chamber volume to a low total pressure.
  • the pressure profile i. E. the course of the total pressure and possibly also the course of the partial pressure of individual gas components, already evaluated during the pumping phase of the measurement sequence to allow a Gro ⁇ ckerkennung.
  • test chamber is enclosed by an external overpressure chamber.
  • the pressure within the outer chamber may be increased from the pressure within the test chamber such that an external force is applied to the flexible test chamber and the flexible portion of the test chamber nestles against the product.
  • a large part of the gas from the test chamber is pressed regardless of the pumping speed of a pump used.
  • the measuring cycle is considerably faster.
  • a selectively gas-binding material is introduced as an absorber into the test chamber or into a volume connected to the test chamber volume.
  • the absorber material binds reactive gas, which could affect the pressure rise in the chamber by desorption and distort the leak rate measurement.
  • Desorption of gases on the surfaces of the test chamber interior sides typically causes an additional pressure increase and leads to measurement errors in the leak rate measurement.
  • water in a pressure range of less than 10 mbar makes a significant contribution to the increase in total pressure due to desorption.
  • the one of the Water desorption caused pressure rise in the test chamber can not be distinguished from the pressure increase by a leak of the test specimen in a total pressure measurement.
  • the absorber material can reduce this measurement error.
  • the absorber material is accommodated in a connection channel between the test chamber and a pressure sensor, for example the total pressure sensor.
  • a pressure sensor for example the total pressure sensor.
  • the volume within the connecting channel, in which the absorber material is located should be able to be separated from the test chamber volume by a shut-off valve.
  • the absorber material is not exposed to the atmospheric gas when the valve is locked and the capacity of the absorber material for selective gas binding is spared.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the test chamber of the first
  • FIG. 3 is the view of Fig. 2 of a second embodiment
  • FIG. 4 shows the view according to FIG. 2 of a third exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows the view according to FIG. 2 of a fourth exemplary embodiment
  • Fig. 7 is an example of an evaluation of the pressure rise to set
  • the test piece 12 is introduced into the chamber 14. Thereafter, the chamber 14 is closed and evacuated via a valve 26. Due to the pressure drop in the chamber 14 and the associated external force exerted by the air pressure, the flexible chamber wall 16 completely nestles around the specimen 12 and adapts to its outer shape.
  • the chamber foil 16 and the test piece 12 there is a gas-permeable material made of a fleece 20.
  • the surface of the foils 16 can be structured. This allows the flow of gas around the specimen 12 even after nestling the film chamber 14 to the specimen 12, thus allowing further evacuation of the entire chamber volume to low total pressure.
  • a vacuum is formed, typically in the range of 1 to 50 mbar absolute pressure, which corresponds to the chamber pressure of a rigid test chamber.
  • the film 16 thus supports the packaging evenly from all sides and prevents swelling or destruction thereof.
  • the space filled with fleece 20 forms the free volume, which is typically only a few cm 3 . Due to the shape adaptation of the film chamber 14 to the specimen 12, the minimum chamber volume is achieved even with changing specimens.
  • Both the total pressure and the partial pressure increase in the measuring chamber depend on two variables: the existing chamber pressure and the measuring volume.
  • a sensor system specializing in specific test gas has a principle-dependent diffusion-dependent response time, since the test gas to be detected must pass from the leakage to the sensor in order to be detected. Depending on the distance and total pressure, the diffusion time may be unacceptable for the target cycle times.
  • the pressure rise due to temperature change would be twice as large as that caused by the leakage. If one were to work at 7 mbar instead, the pressure change due to the temperature change would be only 0.01 mbar, which corresponds to a proportion of only ⁇ 5% of the still the same measurement signal. This means that the same leak, which is covered by the temperature change at 700 mbar total pressure, can be measured at 7 mbar.
  • the thermal expansion caused by a temperature drift and concomitant change in the chamber volume can be neglected compared with the direct influence of a temperature change on the chamber pressure.
  • Temperature changes are expected during a leak measurement because on the one hand the pressure change and concomitant compression / expansion of the gas leads to changes in temperature and on the other hand, the specimens often have a different temperature compared to the measuring chamber.
  • the pressure change which is caused by leaks in the specimen, is greater the smaller the free chamber volume - and thus the measuring volume - is.
  • the free chamber volume is that volume which is not taken by the candidate in the evacuated state of the chamber.
  • Example: A leak of size q lxlO "3 mbar l / s causes a pressure increase of about 0.01 mbar within 10 s in a typical chamber with a free volume of one liter, with a free chamber volume of 10 cm 3 about 1 mbar.
  • the lowest possible chamber volume should be aimed for.
  • This contradiction can be solved by eliminating the influence of the water partial pressure by introducing an absorber material preferably in a connecting channel between the test chamber and the total pressure gauge.
  • the special feature of the invention is that a chamber made of a moldable and flexible, z. B. elastic material is used, the total pressure increase is used in such a sealed chamber for measuring the leakage.
  • the measurement of the total pressure is carried out by the measurement of the applied force per area, z. B. with a capacitive total pressure sensor.
  • the test for possible leaks takes place without the aid of test gas.
  • a direct gas exchange between the film chamber and the total pressure sensor is not necessary.
  • the test chamber itself can consist of a single or multiple slides.
  • the special feature of this measurement method is that the contradiction between the smallest volume and the lowest working pressure is achieved with simultaneous protection of the test object.
  • due to the detection by total pressure measurement a delivery of gas from leak to sensor is not necessary
  • a test piece 12 is brought in the form of a soft food packaging in a test chamber 14, which consists of a film 16.
  • Die fürsch 12 ist in der für Tropsch 14 in kann für für Tropsch 14 anally.
  • the film 16 consists, as shown in FIG. 2, from two separate film sections, between which the specimen 12 is placed, so that the specimen 12 is completely enclosed by two film parts.
  • Fig. 1 shows that the superimposed edge regions of the two film sections are pressed against each other with clamps 18, so that no gas can escape from the test chamber 14 between the film sections.
  • a surrounding the test piece 12 layer of a nonwoven On the inside of the film 16 is a surrounding the test piece 12 layer of a nonwoven, which allows a gas flow between the test piece 12 and film 16 in order to achieve a complete evacuation of the test chamber 14 even with closely fitting to the test piece 12 slide 16 can.
  • the test chamber 14 is connected via a connecting channel 22 to a vacuum pump 24.
  • a shut-off valve 26 for separating the für Biological Vapor Pump 24.
  • a vent valve 28 for venting the test chamber 14 is provided.
  • a further connecting channel 30 which connects the test chamber volume with the pressure sensor of a total pressure measuring device 32.
  • an absorber 34 and between the absorber 34 and the test chamber 14, a check valve 36 is provided in the connecting channel 30, an absorber 34 and between the absorber 34 and the test chamber 14, a check valve 36 is provided.
  • the shut-off valve 36 When the shut-off valve 36 is open, the absorber material of the absorber 34 is connected to the test chamber volume.
  • the absorber material is preferably made of water-absorbent zeolite to reduce the effect of water desorption on the inner wall portions of the test chamber 14.
  • the shut-off valve 36 is closed in order to preserve the absorption capacity of the absorber 34.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which the test chamber 14 is formed from a folded film.
  • the test chamber 14 is closed by folding the film 16 around the specimen 12 around.
  • the film 16 is a hose which is closed at opposite ends to form the test chamber 14.
  • the test chamber 14 is formed from a film 16 in the form of a bag-like balloon, in which the test object 12 is contained.
  • the open end of the balloon may be closed to close the test chamber 14 with, for example, clamps 18 as in FIG.
  • FIG. 6 shows two curves of a pressure curve in the film chamber during a measuring interval of 10 s.
  • the dashed curve is that of a dense test specimen and the solid curve is that of a leaky specimen.
  • the pressure increase over the entire measuring interval for dense specimens may be greater than for leaky specimens.
  • the pressure increase at a certain time i. H . So the first derivative of the pressure curve over time, be denser for dense samples than for leaking. The reason for this is a different degree of desorption of gases from the film material or from the fleece. Under these conditions, it is possible that a single value, such.
  • the pressure increase or the total pressure difference between the beginning and end of the measurement interval no clear assignment for dense and leaky specimens supplies. This problem can be solved by a pattern recognition, which is based on different curve characteristics, such. B. the rise or the curvature at certain times, resorting.
  • Fig. 7 values for the pressure increase are plotted after 10 s (end of the measuring interval) and for the pressure increase after 5 s (half the measuring interval). On the x-axis, the pressure increase values are shown after half the measurement interval (5 s), and on the y-axis, the pressure increase values are plotted at the end of the measurement interval (10 s).
  • a pattern recognition should recognize groupings of the measured values. This is a first group for as crosses Measured values for the leaking test specimen and a second group for the dotted measured values of the dense specimen are recognized.
  • the dashed line in Fig. 7 represents the values of a DUT classified as dense.
  • the solid line represents the group of a test piece classified as leaking.
  • mathematical methods of pattern recognition such as LDA (Linear Discriminant Analysis) can be used.

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Lecksuche an einem Prüfling 12, mit einer evakuierbaren Prüfkammer 14 für den Prüfling 12, weist die Prüfkammer mindestens einen Wandbereich aus einem flexiblen, insbesondere elastischen Material auf. Zu einer genaueren Leckagedetektion wird der Verlauf des Totaldruckanstiegs innerhalb der Prüfkammer gemessen.

Description

Schnelle Lecksuche an formsteifen/schlaffen Verpackungen
ohne Zusatz von Prüfgas
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lecksuche an einem Prüfling .
Herkömmlicherweise werden Leckagen an einem Prüfling, wie zum Beispiel einer Lebensmittelverpackung, gemessen, indem der Prüfling in eine starre Prüfkammer eingebracht wird . Die Prüfkammer wird anschließend evakuiert und der Druckverlauf in der Kammer nach Trennen der Kammer von der Pumpe gemessen. Wenn der Prüfling ein Leck aufweist, entweicht Gas aus dem Prüfling in die Kammer, wodurch der Druck in der Prüfkammer ansteigt. Der Druckanstieg wird gemessen und dient als Hinweis auf ein Leck des Prüflings.
Bei dem bekannten Lecksuchverfahren besteht eine Schwierigkeit darin, dass der Druck innerhalb der Prüfkammer nicht ausschließlich durch eine Leckage in dem Prüfling beeinflusst wird, sondern auch durch Temperaturänderungen in der Prüfkammer oder durch Desorption von Gasen an innenseitigen Oberflächen der Prüfkammer, wodurch Messfehler bei der Lecksuche resultieren. Diese störenden Einflüsse sind um so größer, je größer das Volumen der Prüfkammer und je größer der Druck während der Messung innerhalb der Prüfkammer ist. Aus praktischen Gründen kann das Volumen der Prüfkammer nicht beliebig reduziert werden, weil Form, Größe und Anzahl der Prüflinge ein bestimmtes Kammervolumen erfordern. Der Druck während der Messung innerhalb der Prüfkammer kann zudem nicht beliebig reduziert werden, weil die Gefahr einer Verformung, Beschädigung oder gar eines Platzens des Prüflings besteht, insbesondere bei weichen, formschwachen Prüflingen wie zum Beispiel Verpackungen.
Weiterhin bekannt sind Prüfkammern, bei denen zumindest ein Wandbereich und vorzugsweise die gesamte Prüfkammer aus einem flexiblen, vorzugsweise elastisch verformbaren Material, wie zum Beispiel aus einer Folie, besteht. Der flexible Wandbereich ist in dem Bereich der Kammer ausgebildet, in der sich der Prüfling während der Leckagemessung befindet. Beim Reduzieren des Drucks innerhalb der Prüfkammer schmiegt sich die flexible Kammerwand an den Prüfling an, wodurch das Kammervolumen reduziert wird . Dadurch sind die Messung störende Einflüsse, insbesondere Druckänderungen durch Temperaturschwankungen, reduziert. Zudem stützt der sich an den Prüfling anschmiegende flexible Wandbereich den Prüfling und verhindert ein Verformen oder gar Platzen des Prüflings. Dies ist insbesondere bei formschwachen Prüflingen aus einem weichen Material, wie beispielsweise Verpackungen, von Vorteil.
Derartige Folien-Prüfkammern sind beispielsweise beschrieben in JP-A 62- 112027, EP 0 152 981 AI und EP 0 741 288 Bl . In JP-A 62-112027 wird beschrieben, das austretende Gas mit einem Gasdetektor zu erfassen . In EP 0 152 981 AI wird eine Evakuierung der Folienkammer beschrieben, wobei die Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Folienkammer und einem Referenzdruck innerhalb eines Referenzvolumens betrachtet wird. Wenn diese Druckdifferenz von Null abweicht gilt ein Leck als detektiert. In EP 0 741 288 Bl wird eine Folienkammer mit Druck beaufschlagt und zur Leckprüfung der Druck zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen. Bei Überschreiten eines Schwellenwerts gilt ein Leck als detektiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Lecksuche an einem Prüfling zu schaffen, die eine schnelle Leckagedetektion ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1.
Demnach wird die Leckagedetektion durchgeführt, indem der Totaldruckanstieg des Drucks innerhalb der Prüfkammer gemessen wird . Die Prüfung auf eventuelle Leckagen erfolgt dabei ohne Zuhilfenahme von Prüfgas. Ein direkter Gasaustausch zwischen Prüfkammer und Totaldrucksensor ist hierbei nicht nötig, sodass kein Gas aus der Leckage zu dem Drucksensor strömen muss.
Als Totaldruck wird hierbei der absolute Druck innerhalb der Folien-Prüfkammer bezeichnet. Die Bezeichnung Totaldruck dient hierbei zur Abgrenzung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Leckagedetektionen durch Auswertung eines Differenzdrucks. Erfindungsgemäß wird der Verlauf des Totaldruckanstiegs während des gesamten Messintervalls, d . h. während der Dauer der Messung, ausgewertet. Die Form des Druckanstiegsverlaufs dient hierbei zu einer schnellen Einschätzung, ob ein Leck vorliegt. Der Verlauf des Druckanstiegs ist genauer als eine bloße Überwachung von Schwellenwerten oder eine Messung von Differenzdrücken . Die schnelle Auswertung des Verlaufs des Totaldruckanstiegs ermöglicht einen vollautomatisierten und besonders schnellen Messzyklus zur Anwendung in vollautomatisierten Leckageprüfungen.
Vorzugsweise besteht die Prüfkammer aus einer oder mehreren flexiblen Folien, in die bzw. zwischen die der Prüfling eingebracht wird. Die Folie oder die Folien können durch Klemmelemente wie zum Beispiel Klammern, miteinander verbunden und verschlossen werden.
Ein gasdurchlässiges Material oder eine gasdurchlässige Struktur an einem inneren Wandbereich der Prüfkammer im Bereich des Prüflings erlaubt einen Gasfluss um den Prüfling herum, auch nach dem Anschmiegen der flexiblen Prüfkammerwand an den Prüfling, wodurch ein weiteres Evakuieren des gesamten Kammervolumens auf einen niedrigen Totaldruck ermöglicht wird .
Vorzugsweise wird der Druckverlauf, d .h. der Verlauf des Totaldrucks und gegebenenfalls auch der Verlauf des Partialdrucks einzelner Gaskomponenten, bereits während der Abpumpphase des Messablaufes ausgewertet, um eine Grobleckerkennung zu ermöglichen.
Von Vorteil ist, wenn die Prüfkammer von einer äußeren Überdruckkammer umschlossen ist. Zur Vorentfernung von Gas aus der Prüfkammer kann der Druck innerhalb der Außenkammer gegenüber dem Druck innerhalb der Prüfkammer erhöht werden, sodass eine äußere Kraftwirkung auf die flexible Prüfkammer ausgeübt wird und der flexible Bereich der Prüfkammer an das Produkt angeschmiegt wird. Dadurch wird ein Großteil des Gases aus der Prüfkammer unabhängig von dem Saugvermögen einer eingesetzten Pumpe gepresst. Der Messzyklus ist dadurch erheblich schneller.
Vorzugsweise wird ein selektiv gasbindendes Material als Absorber in die Prüfkammer oder in ein mit dem Prüfkammervolumen verbundenes Volumen eingebracht. Das Absorbermaterial bindet reaktives Gas, welches den Druckanstieg in der Kammer durch Desorption beeinflusst und die Leckratenmessung verfälschen könnte. Desorption von Gasen an den Oberflächen der Prüfkammerinnenseiten bewirkt typischerweise einen zusätzlichen Druckanstieg und führt zu Messfehlern bei der Leckratenmessung . Insbesondere bewirkt Wasser in einem Druckbereich von weniger als 10 mbar einen wesentlichen Beitrag zum Totaldruckanstieg durch Desorption. Der von der Wasserdesorption verursachte Druckanstieg in der Prüfkammer kann von dem Druckanstieg durch ein Leck des Prüflings bei einer Totaldruckmessung nicht unterschieden werden. Das Absorbermaterial kann diesen Messfehler reduzieren.
Vorzugsweise wird das Absorbermaterial in einem Verbindungskanal zwischen der Prüfkammer und einem Drucksensor, zum Beispiel dem Totaldrucksensor, untergebracht. Hierbei sollte das Volumen innerhalb des Verbindungskanals, in welchem sich das Absorbermaterial befindet, von dem Prüfkammervolumen durch ein Absperrventil getrennt werden können. Während des Belüftens und während der Abpumpphase, z. B. zur Grobleckdetektion, wird das Absorbermaterial bei gesperrtem Ventil nicht dem atmosphärischen Gas ausgesetzt und die Kapazität des Absorbermaterials zur selektiven Gasbindung wird geschont.
Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Prüfkammer des ersten
Ausführungsbeispiels im geöffneten Zustand,
Fig. 3 die Ansicht nach Fig .2 eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 die Ansicht nach Fig .2 eines dritten Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 die Ansicht nach Fig .2 eines vierten Ausführungsbeispiels,
Fig. 6 nen beispielhaften Verlauf des gemessenen Druckes
Fig. 7 ein Beispiel für eine Auswertung des Druckanstiegs zu festgelegten
Zeitpunkten. Der Prüfling 12 wird in die Kammer 14 eingebracht. Danach wird die Kammer 14 verschlossen und über ein Ventil 26 evakuiert. Durch den Druckabfall in der Kammer 14 und der damit einhergehenden äußeren Kraft, die durch den Luftdruck ausgeübt wird, schmiegt sich die flexible Kammerwand 16 komplett um den Prüfling 12 und passt sich dessen äußerer Form an.
Zwischen der Kammerfolie 16 und dem Prüfling 12 befindet sich ein gasdurchlässiges Material aus einem Vlies 20. Alternativ kann die Oberfläche der Folien 16 strukturiert sein. Dies erlaubt den Gasfluss um den Prüfling 12 auch nach dem Anschmiegen der Folienkammer 14 an den Prüfling 12 und erlaubt so ein weiteres Evakuieren des gesamten Kammervolumens auf niedrigen Totaldruck.
Zwischen Folie 16 und Prüfling 12 entsteht ein Vakuum, typischerweise im Bereich von 1 bis 50 mbar Absolutdruck, welches dem Kammerdruck einer starren Prüfkammer entspricht. Trotz des Vakuums um die Verpackung 12 wirkt effektiv keine Kraft auf diese, da der Innendruck des Prüflings 12 und der Außendruck auf das flexible Kammermaterial identisch sind . Die Folie 16 stützt also die Verpackung gleichmäßig von allen Seiten und verhindert ein Aufblähen oder eine Zerstörung derselben.
Der mit Vlies 20 gefüllte Zwischenraum bildet das freie Volumen, welches typischerweise nur wenige cm3 beträgt. Aufgrund der Formanpassung der Folienkammer 14 an den Prüfling 12 wird selbst bei wechselnden Prüflingen das minimale Kammervolumen erreicht.
Eine Leckage am Prüfling 12 führt dann zu einem steten Totaldruckanstieg in der Folienkammer 14, nachdem diese durch das Ventil 26 von der Pumpe 24 getrennt wurde. Dieser Druckanstieg wird durch Totaldruckmessung mit einem empfindlichen Totaldruckmessgerät (Vakuummeter) bestimmt. Der Druckverlauf während der Akkumulationsphase wird ausgewertet und mit Sollwerten verglichen. Tritt eine entsprechende Abweichung von Sollwerten auf ist eine Leckage des Prüflings 12 festgestellt. pkammer Cfp
At Vi Kammer
Figure imgf000008_0001
Apnammer _ Dru n ^ ru n g p ammer in Prüfkammer pro Zeitspanne At
At
VKammer '- Kam mervol u men [I]
qp Leckrate [mbar l/(s)]
Pommer, pprüfling ■ Druck in Kammer bzw. Prüfling [mbar]
Sowohl der Totaldruck- als auch der Partialdruckanstieg in der Messkammer sind von zwei Größen abhängig : Dem bestehenden Kammerdruck und dem Messvolumen.
Gegenüber einem Prüfgasnachweis von der Verpackung zugegebenem Prüfgas hat die Totaldruckmessung zwei nachfolgend erklärte Vorteile:
Erstens besteht keine Gasartabhängigkeit, d . h. dem Produkt muss zur Leckagesuche kein spezielles Prüfgas zugefügt werden. Zweitens ist eine Totaldruckänderung sofort überall im Prüfvolumen nachweisbar. Eine auf bestimmtes Prüfgas spezialisierte Sensorik hat eine prinzipbedingt diffusionsabhängige Ansprechzeit, da das nachzuweisende Prüfgas von der Leckage zum Sensor gelangen muss, um nachgewiesen zu werden . Je nach Distanz und Totaldruck kann die Diffusionszeit inakzeptabel für die angestrebten Taktzeiten sein.
Wegen dieser Zusammenhänge ist es günstig den Druckanstieg bei einem sehr kleinen freien Kammervolumen, niedrigem Kammerdruck und ohne Prüfgas zu messen.
Durch Temperaturänderungen entstehender Messfehler:
Je geringer der Totaldruck in der Prüfkammer, umso größer ist die Leckrate aus dem Prüfling und damit der zu erwartende Druckanstieg. Weiterhin ist der Totaldruck in der Prüfkammer von der mittleren Temperatur TKammer des Gases abhängig . Es gilt in erster Näherung :
R ' TKammer . _ .
PKammer ~~
V Kammer
Daraus ergibt sich über eine Fehlerabschätzung :
\Ap 'Kammer (4)
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0002
ist die Änderung des Druckes aufgrund von Änderungen der Temperatur und des Kammervolumens. Diese Druckänderung ist nicht von einer zu unterscheiden, die von Leckagen des Prüflings herrührt. Die durch eine Temperaturänderung hervorgerufene Druckänderung
Figure imgf000009_0003
ist proportional zum Kammerdruck /^ammCT. . Je kleiner der Kammerdruck ist, desto kleiner ist dieser störende Einfluss.
Beispiel : Bei einem Kammerdruck von 700 mbar führt eine Temperaturänderung um 0,1 K bei einer Kammertemperatur von 25°C (298,15 K) zu einer Druckänderung von
= 0,234mbar (5)
Figure imgf000010_0001
Zum Vergleich : Eine Leckage von q = lxlO"3 mbar l/s führt bei einer Messzeit von 10 s und einem freien Kammervolumen von 0,1 I zu einem Druckanstieg von :
|4P '<Kammer = 0,lmbar (6)
Figure imgf000010_0002
In diesem Fall wäre also der Druckanstieg durch Temperaturänderung doppelt so groß wie der durch die Leckage verursachte. Würde man stattdessen bei 7 mbar arbeiten, so wäre die Druckänderung aufgrund der Temperaturänderung lediglich 0,01 mbar, was einem Anteil von lediglich ~5 % des noch immer gleichen Messsignals entspricht. Das heißt dasselbe Leck, das bei 700 mbar Totaldruck von der Temperaturänderung überdeckt wird, ist bei 7 mbar messbar. Die durch eine Temperaturdrift verursachte thermische Ausdehnung und damit einhergehende Änderung des Kammervolumens, kann gegenüber dem direkten Einfluss einer Temperaturänderung auf den Kammerdruck vernachlässigt werden.
Temperaturänderungen sind während einer Leckagenmessung zu erwarten, da einerseits die Druckänderung und damit einhergehende Kompression/Expansion des Gases zu Temperaturänderungen führt und andererseits die Prüflinge oft eine verglichen zur Messkammer abweichende Temperatur besitzen.
Der Volumeneinfluss auf die Messung :
Die Druckänderung, die durch Leckagen des Prüflings verursacht wird, ist umso größer je kleiner das freie Kammervolumen - und damit das Messvolumen - ist. Das freie Kammervolumen ist dabei jenes Volumen, welches im evakuierten Zustand der Kammer nicht vom Prüfling eingenommen wird .
Beispiel : Ein Leck der Größe q = lxlO"3 mbar l/s verursacht innerhalb von 10 s bei einer typischen Kammer mit einem freien Volumen von einem Liter einen Druckanstieg ca. 0,01 mbar. Bei einem freien Kammervolumen von 10 cm3 beträgt dieser etwa 1 mbar.
Desorption :
Auch die Desorption von beispielsweise Wasser beeinflusst den Totaldruck innerhalb der Prüfkammer. Unter Berücksichtigung der Desorption ergibt sich folgender Zusammenhang für den Totaldruckanstieg innerhalb der Prüfkammer: dp dpi dpi dpD
Figure imgf000011_0001
dp
Totaldruckanstieg [mbar/s]
dt
dpi
Totaldruckanstieg durch Leck [mbar/s]
Figure imgf000011_0002
Totaldruckänderung durch Temperaturdrift [mbar/s]
dt : Totaldruckanstieg durch Desorption
dt
VR : Volumen Rezipient [I]
AR : Oberfläche Rezipient + Prüfling [cm2]
qi : Leckrate Prüfling [mbar l/s]
qA : Desorptionsrate Kammer/Prüfling [(mbar l)/(s cm2)]
Zur empfindlichen Leckratenmessung über den zeitlichen Verlauf des Totaldrucks in einer Akkumulationskammer ist ein möglichst geringes Kammervolumen anzustreben. Je geringer das Kammervolumen desto schneller steigt der Totaldruck bei gegebener, fester Leckrate.
Um einen möglichst geringen Totaldruckanstieg verursacht durch Desorption in einer Kammer zu erreichen, ist ein großes Verhältnis aus Volumen zu Oberfläche anzustreben. Je größer das Volumen bei gegebener Oberfläche um so geringer ist der Totaldruckanstieg pro Zeiteinheit.
Hierdurch ist ein Widerspruch gegeben. Gelöst werden kann dieser Widerspruch durch Beseitigung des Einflusses vom Wasserpartialdruck, indem ein Absorbermaterial vorzugsweise in einem Verbindungskanal zwischen der Prüfkammer und dem Totaldruckmessgerät eingebracht wird .
Das Besondere an der Erfindung ist, dass eine Kammer aus einem formbaren und flexiblen, z. B. elastischem Material verwendet wird, wobei der Totaldruckanstieg in solch einer abgeschlossenen Kammer zur Messung der Leckage verwendet wird . Die Messung des Totaldrucks erfolgt durch die Messung der einwirkenden Kraft pro Fläche, z. B. mit einem kapazitiven Totaldrucksensor. Die Prüfung auf eventuelle Leckagen erfolgt dabei ohne zu Hilfenahme von Prüfgas. Ebenfalls ist ein direkter Gasaustausch zwischen Folienkammer und Totaldrucksensor nicht nötig. Damit muss das Gas aus der Leckage nicht zum Totaldrucksensor strömen. Die Prüfkammer selber kann dabei aus einer einzigen oder mehreren Folien bestehen. Das Besondere an dieser Messmethode ist, dass der Widerspruch zwischen kleinstem Volumen und geringstem Arbeitsdruck bei gleichzeitigem Schutz des Prüflings erreicht wird. Außerdem ist aufgrund des Nachweises durch Totaldruckmessung eine Förderung von Gas von Leckage zu Sensor nicht notwendig
Damit werden zusammenfassend folgende Probleme gelöst:
• Der Widerspruch zwischen geringem Arbeitsdruck und gleichzeitigem Schutz des Prüflings wird aufgelöst.
• Der damit erreichbare geringe Arbeitsdruck vermindert den Temperaturdrift erheblich und erhöht die messbare Leckrate.
• Der Druckanstieg in der Kammer durch eine Leckage wird durch das kleine Volumen maximal und damit auch das Messsignal .
• Die Kammer wird aufgrund des selbstminimierenden Volumens erheblich schneller evakuiert.
• Es muss kein Gasstrom von der Leckage zum Totaldrucksensor vorhanden sein.
Wie in Fig. 1 dargestellt wird ein Prüfling 12 in Form einer weichen Lebensmittelverpackung in eine Prüfkammer 14 gebracht, die aus einer Folie 16 besteht. Die Folie 16 besteht, wie in Fig . 2 dargestellt, aus zwei separaten Folienabschnitten, zwischen die der Prüfling 12 gelegt wird, sodass der Prüfling 12 vollständig von beiden Folienteilen umschlossen ist. Fig. 1 zeigt, dass die aufeinanderlegenden Randbereiche der beiden Folienabschnitte mit Klemmen 18 aufeinander gepresst sind, sodass zwischen den Folienabschnitten kein Gas aus der Prüfkammer 14 entweichen kann.
An der Innenseite der Folie 16 befindet sich eine den Prüfling 12 umschließende Lage aus einem Vlies, die einen Gasfluss zwischen Prüfling 12 und Folie 16 ermöglicht, um ein vollständiges Evakuieren der Prüfkammer 14 auch bei eng an dem Prüfling 12 anliegender Folie 16 erreichen zu können.
Die Prüfkammer 14 ist über einen Verbindungskanal 22 mit einer Vakuumpumpe 24 verbunden. In dem Verbindungskanal 22 befindet sich zwischen der Vakuumpumpe 24 und der Prüfkammer 14 ein Absperrventil 26 zum Trennen des Prüfkammervolumens von der Vakuumpumpe 24. Zwischen dem Absperrventil 26 und der Vakuumpumpe 24 ist ein Belüftungsventil 28 zum Belüften der Prüfkammer 14 vorgesehen .
Zwischen der Prüfkammer 14 und dem Absperrventil 26 zweigt von dem Verbindungskanal 22 ein weiterer Verbindungskanal 30 ab, der das Prüfkammervolumen mit dem Drucksensor eines Totaldruckmessgeräts 32 verbindet. In dem Verbindungskanal 30 ist ein Absorber 34 und zwischen dem Absorber 34 und der Prüfkammer 14 ein Absperrventil 36 vorgesehen. Bei geöffnetem Absperrventil 36 ist das Absorbermaterial des Absorbers 34 mit dem Prüfkammervolumen verbunden. Das Absorbermaterial besteht vorzugsweise aus wasserabsorbierendem Zeolith, um den Effekt der Wasserdesorption an den Innenwandbereichen der Prüfkammer 14 zu reduzieren. Beim Evakuieren der Prüfkammer 14 und/oder beim Belüften der Prüfkammer 14 wird das Absperrventil 36 geschlossen, um das Absorptionsvermögen des Absorbers 34 zu schonen.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Prüfkammer 14 aus einer gefalteten Folie gebildet wird . Die Prüfkammer 14 wird durch falten der Folie 16 um den Prüfling 12 herum geschlossen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist die Folie 16 ein Schlauch, der an einander gegenüberliegenden Enden geschlossen wird, um die Prüfkammer 14 zu bilden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird die Prüfkammer 14 aus einer Folie 16 in Form eines sackartigen Ballons gebildet, in welchem der Prüfling 12 enthalten ist. Das offene Ende des Ballons kann zum Schließen der Prüfkammer 14 beispielsweise mit Klemmen 18, wie in Fig. 1, verschlossen werden.
In Fig .6 werden zwei Verläufe eines Druckverlaufs in der Folienkammer während eines Messintervalls von 10 s dargestellt. Hierbei ist der gestrichelte Verlauf derjenige eines dichten Prüflings und der durchgezogene Verlauf ist derjenige eines undichten Prüflings. Wie in Fig . 6 gezeigt, kann die Druckzunahme über das gesamte Messintervall für dichte Prüflinge größer sein als für undichte Prüflinge. Auch kann der Druckanstieg zu einem bestimmten Zeitpunkt, d . h . also die erste Ableitung des Druckverlaufs nach der Zeit, für dichte Prüflinge größer sein als für undichte. Die Ursache hierfür ist eine unterschiedlich starke Desorption von Gasen aus dem Folienmaterial bzw. aus dem Flies. Unter diesen Voraussetzungen ist möglich, dass ein einzelner Wert, wie z. B. der Druckanstieg oder die Totaldruckdifferenz zwischen Beginn und Ende des Messintervalls, keine eindeutige Zuordnung für dichte und undichte Prüflinge liefert. Dieses Problem kann durch eine Mustererkennung gelöst werden, die auf verschiedene Kurveneigenschaften, wie z. B. den Anstieg oder die Krümmung zu bestimmten Zeitpunkten, zurückgreift.
In Fig . 7 sind Werte für den Druckanstieg nach 10 s (Ende des Messintervalls) und für den Druckanstieg nach 5 s (halbes Messintervall) aufgetragen . Auf der x- Achse sind die Druckanstiegswerte nach dem halben Messintervall (5 s dargestellt) und auf der y-Achse sind die Druckanstiegswerte zum Ende des Messintervalls (10 s) aufgetragen. Eine Mustererkennung soll Gruppierungen der Messwerte erkennen. Hierbei wird eine erste Gruppe für die als Kreuze dargestellten Messwerte für den undichten Prüfling und eine zweite Gruppe für die gepunktet dargestellten Messwerte des dichten Prüflings erkannt. Die gestrichelte Linie in Fig. 7 repräsentiert die Werte eines als dicht klassifizierten Prüflings. Die durchgezogene Linie repräsentiert die Gruppe eines als undicht klassifizierten Prüflings. Für die Zuordnung oder Klassifizierung dichter und undichter Prüflinge kann auf mathematische Methoden der Mustererkennung, wie beispielsweise die LDA (Linear Discriminant Analysis), zurückgegriffen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Lecksuche an einem Prüfling (12), mit einer evakuierbaren Prüfkammer (14) für den Prüfling (12), wobei die Prüfkammer (14) eine Folienkammer mit mindestens einem Wandbereich aus einem flexiblen, insbesondere elastischen Material aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vorrichtung eine Messeinrichtung (32) zum Bestimmen des Verlaufs des Totaldruckanstiegs in der Prüfkammer (14) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (32) zur Bestimmung des Totaldruckanstiegs einen kapazitiven Totaldrucksensor aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (32) zur Bestimmung des Druckverlaufs während der Abpumpphase der Prüfkammer (14) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkammer (14) in einer mit Überdruck beaufschlagbaren Außenkammer enthalten ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Prüfkammer (14) oder in einem mit der Prüfkammer (14) verbundenen Volumen ein gasbindendes Absorbermaterial (34), insbesondere Zeolith, vorhanden ist.
6. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbermaterial (34) in einem Verbindungskanal (30) zwischen der Prüfkammer (14) und einem Drucksensor enthalten ist.
7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbindungskanal (30) zwischen dem Absorber (34) und dem Prüfkammervolumen ein Absperrventil (36) zum selektiven Trennen des Absorbermaterials (34) von dem Prüfkammervolumen vorgesehen ist.
8. Verfahren zur Lecksuche an einem Prüfling unter Verwendung einer evakuierbaren Folienkammer als Prüfkammer mit mindestens einem Wandbereich aus einem flexiblen, insbesondere elastischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Totaldruckanstiegs innerhalb der Prüfkammer gemessen wird .
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein eines Lecks anhand des Verlaufs des Totaldruckanstiegs während des gesamten Messintervalls erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung eines Lecks eine Mustererkennung des Druckverlaufanstiegs während des Messintervalls durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Druckanstiegs zu bestimmten, vorgegebenen Zeitpunkten erfasst wird.
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