Dichtheitsprüfung und Dichtheitsprüfanlagen für die Serienproduktion

Bei der Dichtheitsprüfung in der Serienproduktion kommen verschiedene Sensoren zum Einsatz. Ein äußerst wichtiger Punkt ist, dass bei Dichtheitsprüfverfahren nicht selten die Nachweisgrenze des Sensors genannt wird und nicht die Nachweisgrenze oder detektierbare Leckagerate einer Dichtheitsprüfanlage bzw. -vorrichtung. Die detektierbare Leckagerate einer Dichtheitsprüfanlage zu nennen ist weitaus schwieriger, da diese sehr stark vom Anwendungsfall abhängt. Nicht selten erreicht eine Dichtheitsprüfanlage nur einen um den Faktor 1.000-100.000 schlechteren Wert im Vergleich zum Sensor unter Laborbedingungen. Im folgenden finden Sie zuerst eine Übersicht über die am häufigsten eingesetzten Sensoren und deren Nachweisgrenze. Im Anschluss werden die einzelnen Verfahren hinsichtlich des Einsatzes in einer Dichtheitsprüfanlage betrachtet.

Was kann der Sensor?

Häufig eingesetzte Sensoren für die Dichtheitsprüfung

Bezeichnung Werker-prüfung
(Wasserbad, Blasentest)
Differenz-
druck
Wasserstoff
(H2LT)
Helium-Atmosphäre
(HELT-A)
Ultraschall-Lecktester Helium-Vakuum
(HELT-V)
Sensor Auge Drucksensor Halbleiter-
sensor
z.B. Wise Technology™
Ultraschall-
Prüfkopf
Massen-spektrometer
Was wird detektiert /
gemessen?
Luftblase
1mm
Durchmesser
Druck
1 – 0,1Pa
Strom Strom
2·10-10A
bei 5ppm He
Luftblase
< 0,1mm
Durchmesser
Strom
10-15A
Nachweis-
grenze

2,6·10-5
mbar·l/s
bei 20s
10-4
mbar·l/s
bei 1Pa,
0,1l Volumen
und 10s
10-6
mbar·l/s
10-6
mbar·l/s
10-8
mbar·l/s
in 60s
10-11
mbar·l/s

Tabellen, wie die folgende, halten wir für nicht sehr hilfreich. Im Gegenteil:
bei undifferenzierter Betrachtung, sind solche Darstellungen eher irreführend. Häufig wird die Nachweisgrenze des Sensors vermischt mit der detektierbaren Leckagerate einer Dichtheitsprüfanlage.

Was kann der Sensor? Was kann die entsprechende Prüfanlage?
  Leckagerate in mbar·l/s
Prüfverfahren
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
Werker-Wasserbad-Prüfung                        
Differenz-Druckverfahren                        
Helium-Atmosphäre                        
Wasserstoff                         
Helium-Vakuumkammer                        
Ultraschall-Gasblasendetektion                        

Die entscheidende Frage lautet nicht: Was kann der Sensor?
Sondern: Was kann eine Dichtheitsprüfanlage in der Produktion erreichen?

MACEAS beschäftigt sich überwiegend mit automatischen Dichtheitsprüfanlagen. D.h., dass zumindest die eigentliche Dichtheitsprüfung automatisiert, also unabhängig von einer Werkerentscheidung, durchgeführt wird. Übrigens: auch eine Prüfung mit einer Schnüffelsonde (Helium oder Wasserstoff) ist, soweit nicht durch einen Roboter ausgeführt, eine Werkerprüfung!!! Das Ergebnis hängt ganz erheblich davon ab, wie konzentriert der Werker die Sonde an den Prüfstellen vorbeiführt.

Im Folgenden wird nur auf die automatisierten Dichtheitsprüfverfahren eingegangen, mit Ausnahme der Werker Wasserbadprüfung, da diese immer noch das am weitesten verbreitete Dichtheitsprüfverfahren weltweit sein dürfte.

Werker Wasserbad Prüfung

Sensor:
  Was wird detektiert/ gemessen? Nachweisgrenze
Auge Luftblase 1mm Durchmesser 2,6·10-5 mbar·l/s bei 20s

Methode
Prüfteil wird mit Druck beaufschlagt und ins Wasser getaucht. Die austretenden Luftblasen werden visuell von einem Prüfer erkannt.

Prüfmedium
meist Druckluft, seltener Stickstoff.

Nachweisgrenze
bis 10-5 mbar·l/s (in Versuchen nachgewiesen, bei optimalen Verhältnissen, wohl kaum über eine 8 Stundenschicht machbar)

Erkennbare Leckageraten in Prüfanlagen
Strittig, liegen eher im Bereich 10-2-10-3 mbar·l/s.

Charakterisierung

Werker unabhängig
–  –  –
Prüfergebnis hängt völlig von der Entscheidung des Werkers ab, starker Einfluss von Beleuchtungs- und Kontrastverhältnissen, Wasserverschmutzung.
Investitionskosten
+ +
Oft einfache Wasserbäder.
Prüfteil trocken
–  –
Prüfteil muss in eine Flüssigkeit eingetaucht werden
Betriebs- und Wartungskosten
+ + +
Messzeiten
+
Eher kurz, da zu lange Messzeiten vom Werker nicht konzentriert geprüft werden können.
Volumenunabhängig
+ +
Grundsätzlich unabhängig vom Volumen des Prüfteils, bei großflächigen Prüfobjekten ist es für den Werker schwierig, die komplette Fläche ständig im Blickfeld zu behalten.
Einfluss einer Temperaturänderung
+ + +
kein Temperatureinfluss
Einfluss einer Volumenänderung
+ + +
Kein Einfluss
Lokalisierung
+ + +
Direkte, schnelle Lokalisierung des Lecks durch den Werker.
Prüfgas
+ + +
Luft
Grobleckproblematik
+ + +
Tritt praktisch nicht auf.


Differenzdruck Prüfung - DPLT

Sensor:
  Was wird detektiert/ gemessen? Nachweisgrenze
Drucksensor Druck 1 – 0,1Pa 10-4 mbar·l/s bei 1Pa, 0,1l Volumen und 10s

Methode
Prüfteil und Referenzvolumen werden mit Druck beaufschlagt. Die Leckage wird indirekt über die entstehende Druckdifferenz zwischen Prüfteil und Referenzvolumen detektiert.

Prüfmedium
meist Druckluft, seltener Stickstoff.

Nachweisgrenze
Druckänderungen im Bereich von 0,1 – 1Pa

Erkennbare Leckageratenin Prüfanlagen
bis 10-2 mbar·l/s (extrem abhängig vom Prüfvolumen)

Charakterisierung

Werker unabhängig
+ + +
 
Investitionskosten
+ + +
Meist das billigste Prüfverfahren (wenn es nicht prozesssicher funktioniert reine Geldverschwendung)
Prüfteil trocken
+ + +
 
Betriebs- und Wartungskosten
+ +
Regelmäßige Kalibrierung erforderlich
Messzeiten
+ +
Eher kurz, da lange Messzeiten wegen der Temperaturempfindlichkeit sowieso kritisch sind.
Volumenunabhängig
–  –  –
Die gleiche Leckage bewirkt bei einem großen Volumen nur eine geringe Druckänderung. Bei einem kleinen Volumen ist die Druckänderung wesentlich größer.
Einfluss einer Temperaturänderung
–  –  –
Der Temperatureinfluss ist meist weitaus größer als die Nachweisgrenze des Sensors. Außerdem steigt der Temperatureinfluss mit dem Druck im Prüfvolumen!
Einfluss einer Volumenänderung
–  –  –
Ändert sich das Prüfvolumen während der Messung, so bewirkt dies ebenfalls eine Druckänderung
Lokalisierung
–  –  –
Keine Lokalisierung
Prüfgas
+ + +
Luft
Grobleckproblematik
+ + +
Nur bei Anwendungen mit geschlossenen Prüfteilen

Wasserstoff – H2LT

Sensor:
  Was wird detektiert/ gemessen? Nachweisgrenze
Halbleiter-sensor Strom 10-6 mbar·l/s

Methode
Prüfteil wird evakuiert und mit dem Prüfgasgemisch, 5% Wasserstoff und 95% Stickstoff beaufschlagt. Tritt aufgrund einer Leckage Prüfgas in die Messkammer, so steigt die Prüfgaskonzentration an. Der Anstieg der Konzentration wird von einem Halbleiter Wasserstoffsensor gemessen.

Prüfmedium
Formiergas (Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch)

Nachweisgrenze
10-6 mbar·l/s

Erkennbare Leckageraten in Prüfanlagen
Eher im Bereich bis 10-2 mbar·l/s (abhängig vom Prüfvolumen)

Charakterisierung

Werker unabhängig
+ + +
 
Investitionskosten
+
Keine Vakuumkammer erforderlich. Teil muss trotzdem evakuiert werden um das Prüfgas gleichmäßig zu verteilen (Alternative: spülen)
Prüfteil trocken
+ + +
 
Betriebs- und Wartungskosten
+
Regelmäßige Kalibrierung erforderlich, Prüfgaskosten eher gering
Messzeiten
– 
Hängen sehr stark vom Kammervolumen ab. Bei großem Volumen ist der Konzentrationsanstieg sehr gering.
Volumenunabhängig
–  –  –
Siehe Messzeiten.
Einfluss einer Temperaturänderung
+ + +
Kein Temperatureinfluss bei normalen Umgebungsbedingungen.
Einfluss einer Volumenänderung
+ + +
Kein Einfluss einer Volumenänderung.
Lokalisierung
–  –  –
Keine Lokalisierung
Prüfgas
  –
Formiergas (Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch)
Grobleckproblematik
–  –  –
Verseuchung der Prüfkammer und Umgebung bei einem Grobleck

Helium bei Atmosphäre - HELT-A

Sensor:
  Was wird detektiert/ gemessen? Nachweisgrenze
z.B. Wise Technology™ Strom 2·10-10A bei 5ppm He 10-6 mbar·l/s

Methode
Prüfteil wird evakuiert und mit dem Prüfgas(gemisch) beaufschlagt. Tritt aufgrund einer Leckage Prüfgas in die Messkammer, so steigt die Prüfgaskonzentration an. Der Anstieg der Konzentration wird vom Heliumsensor gemessen.

Prüfmedium
Helium, Helium-Luft-Gemisch, He-Stickstoff-Gemisch

Nachweisgrenze
10-6 mbar·l/s

Erkennbare Leckageraten in Prüfanlagen
Eher im Bereich bis 10-2 mbar·l/s (abhängig vom Prüfvolumen)

Charakterisierung

Werker unabhängig
+ + +
 
Investitionskosten
+
Keine Vakuumkammer erforderlich. Teil muss trotzdem evakuiert werden um das Prüfgas gleichmäßig zu verteilen (Alternative: spülen)
Prüfteil trocken
+ + +
 
Betriebs- und Wartungskosten
+
Regelmäßige Kalibrierung erforderlich, Wartung der Vakuumpumpe, Prüfgaskosten
Messzeiten
Hängen sehr stark vom Kammervolumen ab. Bei großem Volumen ist der Konzentrationsanstieg sehr gering.
Volumenunabhängig
–  –  –
Siehe Messzeiten.
Einfluss einer Temperaturänderung
+ + +
Kein Temperatureinfluss bei normalen Umgebungsbedingungen.
Einfluss einer Volumenänderung
+ + +
Kein Einfluss einer Volumenänderung.
Lokalisierung
–  –  –
Keine Lokalisierung
Prüfgas
–  – 
Helium, Helium-Gemisch
Grobleckproblematik
–  –  –
Verseuchung der Prüfkammer und Umgebung bei einem Grobleck

Ultraschall-Lecktester

Sensor:
  Was wird detektiert/ gemessen? Nachweisgrenze
Ultraschall-
Prüfkopf
Luftblase < 0,1mm Durchmesser
10-8 mbar·l/s in 60s

Methode
Prüfteil wird mit Druck beaufschlagt und ins Wasser getaucht. Die austretenden Luftblasen werden von einem Ultraschallsystem detektiert und lokalisiert.

Prüfmedium
meist Druckluft, seltener Stickstoff

Nachweisgrenze
bis 10-8 mbar·l/s

Erkennbare Leckageraten in Prüfanlagen
bis 10-5 mbar·l/s

Charakterisierung

Werker unabhängig
+ + +
 
Investitionskosten
–  – 
Ultraschalltechnik erfordert etwas aufwändigere Wasserbäder und stellt bestimmte Anforderungen an den Maschinenbau.
Prüfteil trocken
–  – 
Prüfteil muss in eine Flüssigkeit eingetaucht werden
Betriebs- und Wartungskosten
+ + +
Sehr niedrig.
Messzeiten
+
Je nach Leckagerate.
Volumenunabhängig
+ + +
Grundsätzlich unabhängig vom Volumen des Prüfteils.
Einfluss einer Temperaturänderung
+ + +
kein Temperatureinfluss
Einfluss einer Volumenänderung
+ + +
Kein Einfluss
Lokalisierung
+ + +
Direkte, schnelle Lokalisierung der Leckageblasen durch das Ultraschallsystem (Zusätzliche Analyse durch einen Werker möglich).
Prüfgas
+ + +
Luft
Grobleckproblematik
+ + +
Tritt praktisch nicht auf.

Helium Vakuumkammer - HELT-V

Sensor:
  Was wird detektiert/ gemessen? Nachweisgrenze
Massen-spektrometer 10-11 mbar He-Partialdruck
bzw. 10-15 Ampere
<1·10-11 mbar·l/s

Methode
Prüfteil und Prüfkammer werden evakuiert. Prüfteil wird mit dem Prüfgas(gemisch) beaufschlagt. Tritt aufgrund einer Leckage Prüfgas in die Vakuum-Messkammer, so wird die Leckage mit dem Massenspektrometer gemessen.

Prüfmedium
Helium, Helium-Luft-Gemisch, He-Stickstoff-Gemisch.

Nachweisgrenze
10-11 mbar·l/s.

Erkennbare Leckageraten in Prüfanlagen
Im Bereich bis 10-7 mbar·l/s.

Charakterisierung

Werker unabhängig
+ + +
 
Investitionskosten
–  –  –
Vakuumkammer erforderlich, Pumpleistungen sollten so ausgelegt sein, dass auch Schwankungen bei der Luftfeuchtigkeit ausgeglichen werden können.
Prüfteil trocken
+ + +
 
Betriebs- und Wartungskosten
–  –  –
Regelmäßige Kalibrierung erforderlich, Wartungsaufwand für Vakuumtechnik, Prüfgaskosten
Messzeiten
+
Messzeit selbst meist eher kurz. Bei großem Kammervolumen lange Pumpzeiten zum Erreichen des Vakuum.
Volumenunabhängig
+
Siehe Messzeiten.
Einfluss einer Temperaturänderung
+ + +
Kein Temperatureinfluss bei normalen Umgebungsbedingungen.
Einfluss einer Volumenänderung
+ + +
Kein Einfluss einer Volumenänderung.
Lokalisierung
–  –  –
Keine Lokalisierung
Prüfgas
–  – 
Helium, Helium-Gemisch
Grobleckproblematik
–  –  –
Verseuchung der Prüfkammer und Umgebung bei einem Grobleck


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Am Rande: Fachbericht – Sicherer Umgang mit Gas

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