Helium-Lecktester

Die Detektion von Helium als Prüfgas mit Hilfe eines Massenspektrometers wurde zum ersten Mal 1942 im Rahmen des Manhatten-Projekts für die Dichtheitsprüfung eingesetzt. Heute gehören Helium-Lecktester (HELT) zu den etablierten Verfahren zur Dichtheitsprüfung in der Serienproduktion und im Labor.

Während die Detektion des aus dem Leck ausströmenden Heliumgases mit einem Massenspektrometer in jedem Fall ein Hochvakuum im Massenspektrometer erfordert (p < 10-4mbar), stehen inzwischen auch Heliumsensoren zur Verfügung, die kein Vakuum mehr erfordern. Allerdings können mit dem Massenspektrometer noch weit geringere Mengen Helium nachgewiesen werden als dies mit anderen Sensoren der Fall ist.

Wir unterscheiden deshalb:

HELT-V (Helium-Lecktester-Vakuum):
Helium Dichtheitsprüfverfahren / -anlagen bei denen ein Massenspektrometer als Detektor eingesetzt wird und die Prüfteile in einer Vakuumkammer geprüft werden.

und

HELT-A (Helium-Lecktester-Atmosphäre):
Helium Dichtheitsprüfverfahren / -anlagen bei denen mit Heliumsensoren gearbeitet wird, die bei Atmosphärendruck eingesetzt werden können und die Prüfteile in einer Kammer bei Atmosphäre geprüft werden.

Messprinzip - Massenspektrometer

Unter HELT-V verstehen wir die klassische Helium Dichtheitsprüfung in der Vakuumkammer. Als Sensor wird ein Massenspektrometer verwendet. Die Heliumatome werden mit Hilfe eines Elektronenstrahls ionisiert. Die nun elektrisch geladenen Teilchen werden in einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt. Dabei hängt der Radius der Kreisbahn von der Masse der Teilchen ab. Durch den Schlitz in der Blende gelangen nur Teilchen einer bestimmten Masse. Diese erzeugen dann einen elektrischen Strom am Detektor.


Messprinzip – Prüfanlage/-vorrichtung

Vakuum-Prüfkammer und Prüfteil werden evakuiert. Dann wird das Prüfteil mit Helium oder einem He-Gemisch beaufschlagt. Durch das vorher vorhandene Vakuum im Prüfteil wird eine gleichmäßige Verteilung des Prüfgases erreicht.  Nach dem Erreichen eines bestimmten Vakuum in der Prüfkammer wird das Massenspektrometer zugeschaltet und die Messung durchgeführt.

Mit einer Schnüffelsonde kann die Leckage evtl. anschließend bei Atmosphäre lokalisiert werden. Da mit der Schnüffelsonde nur gröbere Leckagen detektiert werden können, kann es durchaus vorkommen, dass keine Leckage gefunden wird. Eine Alternative zur Leck Lokalisierung stellt die Nachprüfung im Wasserbad dar.


Messprinzip - WiseTM-Sensor

Mit Hilfe eines wartungsfreien Helium Sensors (z.B. T-GuardTM)  kann auch bei Atmosphärendruck eine ansteigende Heliumkonzentration in einer Prüfkammer gemessen werden. Der eigentliche Sensor besteht aus einer nur für Helium durchlässigen Quarz-Membran und einer permanent evakuierten Glasröhre (vgl. Röhrenfernseher), sowie einem Anodenring und einer Kathodenplatte. Bei einer Konzentration von 5ppm Helium fließt ein Strom von 2-10-10A.



Messprinzip – Prüfanlage/-vorrichtung

Mit Hilfe von Ventilatoren oder einer Umwälzung wird im Falle eines Lecks (Helium strömt in die Kammer) eine möglichst homogene Verteilung in der Kammer erzeugt. Dies ist erforderlich, da sonst Lecks an unterschiedlichen Stellen sehr unterschiedliche Messwerte ergeben würden.


Beispiel

Bei einer Leckagerate von 10-3mbar·l/s vom Prüfteil in eine Messkammer mit 100l Volumen ergibt sich bei Verwendung von 100% Helium nach 50s ein Konzentrationsanstieg um 0,5ppm. Da der natürliche Heliumgehalt in der Luft bei ca. 5ppm liegt, entspricht dies einem Anstieg von 10% des Hintergrundwertes.



Prozesssicherheit

Ein größerer Konzentrationsanstieg wird bei einer höheren Leckagerate, einem kleineren Kammervolumen oder einer längeren Akkumulationszeit erreicht. Da meist das Kammervolumen aufgrund maschinenbaulicher Anforderungen nicht wesentlich verkleinert werden kann (gleichzeitig muss ja noch die homogene Verteilung mit Ventilatoren/Umwälzung sichergestellt werden), bleibt die längere Akkumulationszeit als Maßnahme.

Während der Sensor selbst zwar in der Lage ist Konzentrationsanstiege von wenigen ppb (5ppb=0,005ppm) aufzulösen, können Dichtheitsprüfanlagen unter Produktionsbedingungen nicht so knapp ausgelegt werden, da ein prozesssicherer Betrieb dann nicht gewährleistet werden kann.

Vorsicht!!!

Ein häufiger Denkfehler bei derartigen Anlagen besteht darin, dass auch für die gesamte Prüfanlage keinerlei Vakuumpumpen benötigt werden. Dies ist falsch! Damit sich das Prüfgas (100% Helium, Helium-Luftgemisch) gleichmäßig im Prüfteil verteilt, muss das Prüfteil zuerst mit einem Vakuum versehen werden. Erst dann wird das Prüfgas mit dem vorgegebenen Prüfdruck eingefüllt und kann sich nun relativ homogen verteilen. Kann oder darf das Prüfteil nicht evakuiert  werden, so kann das Teil auch mit dem Prüfgas durchspült werden. Ein Durchspülen stellt aber eine homogene Verteilung des Prüfgases je nach Geometrie weit weniger sicher.


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Am Rande: Fachbericht – Sicherer Umgang mit Gas

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