Wasserstoff-Lecktester (H2LT)

Messprinzip - Sensor
Wasserstoff beeinflusst die Leitfähigkeit eines speziellen Halbleiter-Gassensors (z.B. adixen, KeyX, etc.). Über eine Strom- bzw. Widerstandsmessung kann daher eine Änderung der Wasserstoffkonzentration in einer Prüfkammer bzw. am Sensor nachgewiesen werden.

1: sensitive Schicht
2: Isolatorschicht
3: Platin-Elektroden
4: Platin-Heizer
5: Keramik-Substrat

Messprinzip – Prüfanlage/-vorrichtung
Wie bei der HELT-A Methode wird mit Hilfe von Ventilatoren oder einer Umwälzung im Falle eines Lecks (Wasserstoff 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.



Nachdem eine Vorrichtung mit einem Prüfleck kalibriert wurde, sollte die Wirkung der Ventilatoren/Umwälzung durch Positionieren des Prüflecks an verschiedenen Stellen am Prüfteil überprüft werden!!! Treten sehr unterschiedlich Ergebnisse auf, so wird offensichtlich durch die Ventilatoren bzw. die Umwälzung keine homogene Konzentration in der Kammer erreicht.

Beispiel für einen Konzentrationsanstieg
Bei einer Leckagerate von 10-3mbar·l/s vom Prüfteil in eine Messkammer mit 100l Volumen ergibt sich bei Verwendung von Formiergas (95% Stick-stoff, 5% Wasserstoff) nach 165s ein Konzentra-tionsanstieg um 0,0825ppm. Da der natürliche Wasserstoff-gehalt in der Luft bei ca. 0,55ppm liegt, entspricht dies einem Anstieg von ca. 15% 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 einigen 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 für die gesamte Prüfanlage keinerlei Vakuumpumpen benötigt werden. Dies ist falsch! Damit sich das Prüfgas 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.

Prüftechnik Steckbrief H2LT

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

Prüfmedium
Formiergas (95% Stickstoff, 5% Wasserstoff)

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
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
Grobleckproblematik
–  –  –
Verseuchung der Prüfkammer und Umgebung bei einem Grobleck

Irreführende Aussagen zur Wasserstoffdichtheitsprüfung:

1. Wasserstoff hat die bessere, weil geringere Viskosität (8,4 µPa·s), also kommt mehr Gas aus dem gleichen Leck.

Diese Aussage ist falsch, denn Prüfgas ist nicht 100% Wasserstoff sonder Formiergas, also eine Mischung aus 95% Stickstoff und 5% Wasserstoff. Die Viskosität von Formiergas beträgt 16,2 µPa·s und liegt damit etwa gleich auf mit der Viskosität von Luft (17,1) bzw. von Helium (18,6).

2. Da der natürlich Gehalt von Wasserstoff in der Luft nur 0,55ppm beträgt, gibt es bei Wasserstoff weniger Probleme mit dem natürlichen Hintergrund als bei Helium.

Diese Aussage ist falsch, denn Prüfgas ist Formiergas (siehe oben), d.h. nur 5% des aus dem Leck austretenden Gases ist überhaupt Wasserstoff. Somit ist der Hintergrund zwar um einen Faktor 10 niedriger als bei Helium, dafür tritt aber auch nur 1/20 Gas aus dem gleichen Leck.



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Am Rande: Fachbericht – Sicherer Umgang mit Gas


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