DE102006017958A1

DE102006017958A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes

Info

Publication number: DE102006017958A1
Application number: DE102006017958A
Authority: DE
Inventors: Klaus Polster; Volker Dahm; Ingo Stegemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-10-25
Also published as: WO2007118822A3; WO2007118822A2; JP2010516998A; CA2680180A1; EP2008073A2; US20090277249A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes (02). Dabei wird zunächst ein Prüfobjekt (02) in einer Prüfkammer (03) angeordnet. Das Prüfobjekt (02) wird mit einem Suchgas mit Überdruck gegenüber der Prüfkammer (03) befüllt. Anschließend erfolgt die Umwälzung des in der Prüfkammer (03) befindlichen Gasvolumens und die Messung einer quantitativen Kenngröße des Suchgases mit einem Sensor (14), der sich im umgewälzten Gasvolumenstrom befindet. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung (01) zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes (02), mit welcher das genannte Verfahren ausgeführt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüflings/Prüfobjektes. Ein solcher Prüfling kann ein Behälter, eine Leitung oder ein sonstiges Objekt mit einem Hohlraum sein, wobei eine festgelegte Dichtigkeit des Hohlraums geprüft werden soll.
Die Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüflings dient in vielen Fällen der Qualitätsprüfung. Dabei kann es sich beispielsweise um Behältnisse für Haushaltschemikalien oder Lebensmittel, aber auch um Behältnisse für Betriebsmedien in der Klimatechnik oder im Automobilbau handeln. Gerade wenn umweltkritische Medien im Prüfling geführt oder gespeichert werden sollen oder wenn die Funktionsfähigkeit einer Anlage von der exakten Menge des enthaltenen Mediums abhängt, ist eine Dauerdichtigkeit von großer Bedeutung.
Aus der US 5,553,483 A ist ein System zur Bestimmung eines Leckes eines Objektes mit einem Hohlraum bekannt. Das Prüfobjekt wird in einer Prüfkammer angeordnet und mit Helium oder einem anderen Suchgas gefüllt. Im Hohlraum des Objektes herrscht ein Überdruck. Die Prüfkammer weist eine Einlassöffnung auf, über die Stickstoff oder ein anderes Trägergas in die Prüfkammer hineingeleitet wird. Weiterhin weist die Prüfkammer einen Abzug für das Trägergas auf, der so positioniert ist, dass das in die Prüfkammer eingeströmte Trägergas das Prüfobjekt weitestgehend umströmt, bevor es zum Abzug gelangt. Weist das Objekt ein Leck auf, so strömt das austre tende Suchgas in die Prüfkammer. Das Suchgas wird durch die Strömung des Trägergases in den Abzug geleitet, wo sich ein Sensor zur Bestimmung der Menge des Suchgases befindet. Die Genauigkeit des Systems ist von der technischen Erreichbarkeit eines hohen Unterdruckes in der Prüfkammer abhängig. Je größer der Unterdruck ist, desto genauer kann die Leckrate bestimmt werden bzw. desto kleiner ist die nachweisbare Leckrate. Nachteilig an dieser Lösung ist die Komplexität der Anlage, die auf Grund des großen zu erzielenden Unterdruckes notwendig ist. Die Anlage muss robust und vakuumtauglich sein. Die Taktzeit zur Prüfung mehrere Objekte ist fast ausschließlich von der Dauer zur Erzeugung des großen Unterdruckes abhängig, da ein schnelles Absaugen der Luft zu Vereisungen an den Bauteilen des Systems und somit zu Verfälschungen der Messergebnisse führt. Für eine hundertprozentige Prüfung von Bauteilen in einer Serienproduktion mit hohen Taktraten ist dieses Verfahren daher schon aufgrund der langen Messzeiten nicht geeignet.
Aus der WO 2005/054806 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Objektes bekannt. Das Prüfobjekt wird in einer Prüfkammer angeordnet und mit Wasserstoff als Suchgas gefüllt. Der Druck in der Prüfkammer wird auf 0,1 bis 250 Millibar verringert. Die Prüfkammer weist eine Einlassöffnung auf, über die ein Trägergas in die Prüfkammer hineingeleitet wird. Weiterhin weist die Prüfkammer einen Abzug für das Trägergas auf, der so positioniert ist, dass das in die Prüfkammer eingeströmte Trägergas das Prüfobjekt weitestgehend umströmt, bevor es zum Abzug gelangt. Das Trägergas wird mit einer Pumpe abgepumpt und an einen Sensor zur Bestimmung des Wasserstoffgehaltes geleitet. Weist das Objekt ein Leck auf, so strömt Wasserstoff in die Prüfkammer, wobei der Wasserstoff gemeinsam mit dem Trägergas zum Sensor geleitet wird. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass neben dem Wasserstoff als Suchgas ein Trägergas benötigt wird, wodurch das System und das Verfahren sehr aufwändig sind. Auch bei diesem Gerät muss zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Gasmenge aus der Prüfkammer entnommen werden, die nachfolgend vom Sensor detektiert wird. Der Sensor kann keine Änderungen feststellen, die erst nach dem Entnahmezeitpunkt der Probe eintreten. Um verlässliche Ergebnisse zu erzielen, muss eine Gleichverteilung des Prüfgases in der Prüfkammer abgewartet werden, woraus wiederum lange Messzyklen resultieren.
Aus der WO 02/075268 A1 ist bekannt, ein Leck ohne die Verwendung eines Trägergases zu bestimmen. Das Prüfobjekt wird hierzu mit Wasserstoff oder Helium als Suchgas gefüllt. Mit Hilfe eines Sensors für das jeweilige Suchgas wird die Konzentration des Suchgases in der Nähe des Prüfobjektes ermittelt. Zwar ist die Höhe der Konzentration ein Indiz für die Größe des Leckes, jedoch lassen sich mit diesem Verfahren keine genauen Rückschlüsse auf die Leckrate ziehen, da die Suchgaskonzentration nicht gleichverteilt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüflings, d.h. eines Objektes mit einem Hohlraum bereitzustellen. Insbesondere wird angestrebt, die Messung unabhängiger vom Zeitpunkt einer Probenentnahme zu machen und die Wartezeit bis zum Vorliegen eines verlässlichen Messwertes zu verkürzen. Dadurch soll letztlich auch bei hohen Stückzahlen eine hundertprozentige Prüfung von Bauteilen (Prüflingen) möglich werden. Vorzugsweise soll für die Messung kein spezielles Trägergas erforderlich sein. Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll die Bestim mung der Dichtigkeit zwischen mehreren Hohlräumen innerhalb eines Prüfobjektes ermöglicht sein.
Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren gemäß den beigefügten Ansprüchen 1 und 11 sowie durch Vorrichtungen gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 12, 19 und 20.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass sich ein Sensor zur Bestimmung der Menge eines Suchgases unmittelbar innerhalb des Umwälzkreislaufes befindet, in welchem das durch ein im Prüfling vorhandenes Leck ausgetretene Suchgas gemeinsam mit dem in der Prüfkammer vorhandenen Gas umgewälzt wird. Der Sensor wird daher permanent von dem zu messenden Suchgas umströmt, sodass eine genaue Messung erstens nach kurzer Zeit und zweitens auch mehrfach ohne erneute Probenentnahme möglich ist. Es findet in der Prüfkammer bzw. in dem unmittelbar kommunizierenden Umwälzkanal eine quasi kontinuierliche Messung statt.
Ein besonderer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit konventionellen Bauteilen realisiert werden können. Es wird weder ein spezielles Trägergas noch ein großer Unterdruck in der Prüfkammer benötigt. Daher ist eine kurze Taktzeit für die Prüfung mehrere Prüfobjekte ermöglicht. Natürlich ist das grobe Evakuieren der Prüfkammer oder das Befüllen mit einem Trägergas zweckmäßig, um das Prüfgas besser nachweisen zu können.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist die Reproduzierbarkeit der Messung. Die vorbestimmte Füllung des Prüfobjektes mit Suchgas und eine gleich bleibende Umwälzung im Kreislauf bewirken, dass die Suchgaskonzentration am Sensor bei mehre ren Messungen desselben Prüfobjektes oder eines Prüfobjektes mit einer gleichen Leckrate nur unwesentlich abweichen wird. Damit ist die Messsicherheit durch die Erfindung wesentlich erhöht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass der Bereich des möglichen Leckes des Prüfobjektes und der Ort der Messung räumlich getrennt sind. Daher besteht keine Abhängigkeit zwischen dem Ort des Leckes am Prüfobjekt und der Konzentration des Suchgases am Sensor.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann die Vorrichtung auch als Zweikreisgerät aufgebaut sein. Es lassen sich dadurch auch Prüfobjekte mit mehreren voneinander getrennten Hohlräumen auf ihr Dichtigkeit untersuchen.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrere Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für Invers- und Akkumulationsmessungen;
3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung von Objekten mit mehreren Hohlräumen.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 01 zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes 02. Das Prüfobjekt 02 wird in einer Prüfkammer 03 der Vorrichtung 01 angeordnet. Die Prüfkammer 03 kann in Form einer Haube ausgebildet sein, die auf einer Grundplatte aufgesetzt wird. In der Prüfkammer 03 befindet sich Umgebungsluft. Alternativ könnte aber auch eine Befüllung der Prüfkammer mit einem Träger- oder Inertgas erfolgen. Ebenso ist die Evakuierung der Prüfkammer vor Beginn des Prüfvorgangs denkbar jedoch nicht zwingend erforderlich.
Die gebrauchsmäßigen Öffnungen des Hohlraumes des Prüfobjektes 02 sind über eine Füllleitung 04 mit einem Reservoir 06 zur Bereitstellung eines Formiergases verbunden. Das Reservoir 06 zur Bereitstellung des Formiergases befindet sich zweckmäßigerweise außerhalb der Prüfkammer 03 und kann durch ein Behältnis zur Aufbewahrung des Formiergases und eine steuerbare Druckpumpe gebildet sein. Die Füllleitung 04 zur Zuführung des Formiergases ist gegenüber der Prüfkammer 03 abgedichtet. Wenn das Prüfobjekt 02 ideal dicht wäre, würde kein Formiergas in die Prüfkammer 03 gelangen.
Die Prüfkammer 03 weist eine Zuleitung 07 und eine Ableitung 08 auf. Die Zuleitung 07 und die Ableitung 08 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie sich an zwei gegenüberliegenden Seiten der Prüfkammer 03 befinden, jedenfalls aber einen Abstand aufweisen, welcher der Ausdehnung der Prüfkammer 03 weitgehend entspricht. Auf diese Weise werden Totvolumina in der Prüfkammer vermieden. Des Weiteren sind die Zuleitung 07 und die Ableitung 08 so ausgeführt, dass eine gegebenenfalls vorhandene Gasströmung zwischen der Zuleitung 07 und der Ableitung 08 das Prüfobjekt 02 weitestgehend umströmt.
Die Zuleitung 07 und die Ableitung 08 sind über einen externen Kreislauf miteinander verbunden. Dieser externe Kreislauf umfasst eine Umwälzeinheit 09 und eine Messkammer 11. Weiterhin umfasst der externe Kreislauf ein Kalibrierleck 12 und Umschaltventile 13. Das Gas in der Prüfkammer 03 wird über den externen Kreislauf umgewälzt, sobald der Prüfvorgang startet. Dieser Umwälzvorgang wird durch die Umwälzeinheit 09, z.B. eine Pumpe mit einem Volumendurchsatz von 10 Liter pro Sekunde angetrieben. Durch die Anordnung der Zuleitung 07 und der Ableitung 08 ist gewährleist, dass nahezu alle der in der Prüfkammer 03 vorhandenen Gasteilchen kontinuierlich durch den externen Kreislauf geleitet werden.
In der Messkammer 11 befindet sich ein Sensor 14. Der Sensor 14 dient zur Bestimmung der Menge des Formiergases. Die Zuführung des im Kreislauf umgewälzten Gases an den Sensor 14 kann vorteilhaft über ein Staurohr erfolgen, um am Sensor einen gleich bleibenden Staudruck zu erhalten. Der Sensor 14 und das Staurohr sind so ausgeführt, dass ein permanenter Austausch des am Sensor 14 befindlichen Gases infolge des in die Messkammer 11 einströmenden Gases gegeben ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Gaskonzentration am Sensor 14 ständig der Gaskonzentration im externen Kreislauf entspricht. Während bei den vorbekannten Lösungen lediglich eine kleine Probe aus dem Gasvolumen entnommen wird, strömt am Sensor 14 ein Gasvolumen vorbei, welches pro Umwälzung des gesamten Kreislaufes dem einhundert- bis zweihundertfachen oder mehr des Volumens einer entnommenen Probe entspricht. Der Sensor 14 ist an eine Auswerteinheit 16 angeschlossen. Weiterhin befinden sich im Kreislauf ein oder mehrere Filter (nicht gezeigt) zur Luftreinigung.
Das Formiergas besteht vorzugsweise aus einem Anteil von 95% Stickstoff und ein Anteil von 5% Wasserstoff. Wasserstoff eignet sich insbesondere als Suchgas, da hoch empfindliche Halbleitersensoren zur genauen Bestimmung der Wasserstoffmenge verfügbar geworden sind. Solche Halbleitersensoren können einen Wasserstoffgehalt von bereits 1 Partikel je einer Million Partikel feststellen. Zudem ist Wasserstoff geeignet, da die Hintergrundkonzentration von Wasserstoff in der Umgebungsluft nur etwa 0,5 Partikel je einer Million Partikel beträgt. Die Konzentration von Wasserstoff eines ausgetretenen Formiergases beträgt bei sehr kleinen Lecks etwa 5 Partikel je einer Million Partikel. Damit ist ein sicherer Abstand zur. Bestimmung der Dichtigkeit mit Formiergas unter Atmosphärenbedingungen gegeben. Durch das Vorhandensein von Atmosphärenbedingungen in der Prüfkammer 03 und im externen Kreislauf sind die Anforderungen an die Dichtigkeit der Prüfkammer 03 und des externen Kreislaufes niedrig. Die Erfindung ist auch für andere Suchgase anwendbar, insofern ein für das verwendete Suchgas geeigneter Sensor verfügbar ist und sich die durch die zu messenden Lecke erhöhte Konzentration des Suchgases deutlich von der Konzentration des Suchgases in der Luft unterscheidet. Beispielsweise kommen Helium oder Kohlendioxid als Suchgas in Frage.
Die Verwendung von Formiergas zur Bestimmung der Dichtigkeit des Prüfobjektes 02 ist insbesondere für zu messende Leckraten im Bereich von 10^–5 bis 10° Millibar-Liter je Sekunde geeignet. Dies ist ein Bereich, in dem weder die Bestimmung der Dichtigkeit mit Druckluft noch die Verwendung von Helium als Suchgas zu einem befriedigenden Kosten-Nutzen-Verhältnis führt. Formiergas, bei welchem der Wasserstoffanteil erhöht ist, lässt die Bestimmung von Leckraten zu, die kleiner als 10^–5 Millibar-Liter je Sekunde sind. Wird reiner Wasserstoff als Suchgas verwendet, lassen sich Leckraten von 10^–8 Millibar-Liter je Sekunde ermitteln. Leckraten dieser Größenordnung ließen sich bislang nur mit Helium als Suchgas bestimmen.
In einer alternativen Ausführungsform wird in der Prüfkammer 03 und im externen Kreislauf ein technisches Vakuum erzeugt. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn ein großer Druckunterschied zum Innendruck des Prüfobjektes 02 erforderlich ist. Durch die Umwälzung der verbleibenden Luft einschließlich des gegebenenfalls ausgetretenen Suchgases durch den externen Kreislauf ist sichergestellt, dass der Sensor 14 vom Suchgas in einer Konzentration umströmt wird, welche der Konzentration in der Prüfkammer 03 entspricht. Diese Ausführungsform der Erfindung ist auch für Suchgase geeignet, deren Nachweis in Luft problematisch ist.
Für die Bestimmung der Dichtigkeit des Prüfobjektes 02 wird die gebrauchsmäßige Öffnung des Prüfobjektes 02 zunächst bei geöffneter Prüfkammer 03 mit der Füllleitung 04 zum Mittel 06 zur Bereitstellung des Formiergases verbunden. Viele Prüfobjekte weisen genau eine gebrauchsmäßige Öffnung auf. Diese ist für Flaschen und ähnliche Behältnisse durch die Öffnung gegeben, an der die Flasche zum Gebrauch geöffnet und verschlossen wird. Insofern das Prüfobjekt 02 mehrere gebrauchsmäßige Öffnungen aufweist, sind entsprechend mehrere Füllleitungen 04 mit dem Prüfobjekt 02 zu verbinden oder einige der gebrauchsmäßigen Öffnungen zu verschließen. Die Füllleitungen 04 können innerhalb der Prüfkammer 03 zu einer Leitung vereinigt sein oder aber sämtlich zum Reservoir 06 zur Bereitstellung des Formiergases geführt sein. Insofern das Prüfobjekt 02 keine gebrauchsmäßige Öffnung aufweist, ist das Prüfobjekt mit einer Öffnung zur Durchführung der Dichtigkeitsbestimmung zu versehen, wobei diese Öffnung nach dem Abschluss der Dichtigkeitsbestimmung wieder zu verschließen ist. Die Füllleitungen 04 und deren Verbindungen zum Prüfobjekt 02 müssen eine Leckrate aufweisen, die wesentlich kleiner als die zu messende Leckrate des Prüfobjektes 02 ist.
Weiterhin ist das Prüfobjekt 02 mit einer Entleerungsleitung 17 verbunden. Die Entleerungsleitung 17 ist mit einem Sperrventil 18 verschlossen. Nach Abschluss der Dichtigkeitsprüfung wird das Sperrventil 18 geöffnet, sodass das Formiergas aus dem Prüfobjekt 02 in einen Auffang 19 abgeführt wird oder als Abluft entweichen kann. Wenn das Prüfobjekt 02 vollständig mit den Füllleitungen 04 und der Entleerungsleitung 17 verbunden ist, wird die Prüfkammer 03 verschlossen. Insofern die Prüfkammer 03 als Haube ausgebildet ist, muss diese auf die Grundplatte aufgesetzt werden und gegenüber der Grundplatte abgedichtet werden. Für den Start der Dichtigkeitsprüfung muss das Prüfobjekt 02 mit Formiergas gefüllt werden. Das Formiergas muss im Prüfobjekt 02 einen bestimmten Überdruck aufweisen, der in Abhängigkeit von der Art des Prüfobjektes 02 und den zu messenden Lecken zu wählen ist. Je kleiner die zu messenden Leckraten sind, desto größer ist der Druck des Formiergases zu wählen. Des Weiteren sind die Umwälzeinheit 09 und die Auswerteeinheit 16 in Betrieb zu nehmen. Zunächst wird die Luft, die sich in der Prüfkammer 03 einschließlich der Zuleitung 07 und der Ableitung 08 sowie in der Messkammer 11 und in der Umwälzeinheit 09 befindet, umgewälzt. Diese Luft entspricht in ihrer Zusammensetzung anfäng lich der Umgebungsluft, sodass am Sensor 14 Wasserstoff in einer typischen Konzentration von etwa 0,5 Partikeln je einer Million Partikel vorhanden ist. Gerade bei der Ausführung zahlreicher aufeinander folgender Prüfungen ist es aber zweckmäßig, vor der Befüllung des Prüfobjekts 02 mit dem Suchgas bei geschlossener Prüfkammer 03 eine Startmessung am Sensor 14 auszuführen, um die anfänglich vorhandene Konzentration des Suchgases zu bestimmen.
Insofern das Prüfobjekt 02 ein oder mehrere Lecks aufweist, wird das Formiergas in die Prüfkammer 03 gelangen, da im Prüfobjekt 02 ein Überdruck gegeben ist. Da die Luft in der Prüfkammer 03 über den externen Kreislauf mit relativ großem Volumenstrom umgewälzt wird, wird ebenso das aus dem Prüfobjekt 02 in die Prüfkammer 03 einströmende Formiergas sofort über den externen Kreislauf umgewälzt. Das Gemisch aus Luft und Formiergas wird dabei in Richtung 21 durch die Prüfkammer 03 und in Richtung 22 durch die Messkammer 11 transportiert. Da das Formiergas Wasserstoff enthält, steigt die Wasserstoffkonzentration am Sensor 14 ohne nennenswerte Verzögerung an. Folglich lässt sich mit der Auswerteeinheit 16 ermitteln, ob das Prüfobjekt 02 ein Leck aufweist. Die Höhe der Wasserstoffkonzentration in der jeweiligen Messperiode ist ein Maß für die Größe des Leckes oder der Summe der Lecke, wenn mehrere Lecke vorhanden sind. Diese Methode der Dichtigkeitsprüfung wird auch als Akkumulationsmessung bezeichnet.
Nach dem Abschluss der Dichtigkeitsbestimmung kann das im externen Kreislauf befindliche Gasgemisch durch Öffnen eines der Umschaltventile 13 in einen Abluftkanal 23 ausgelassen werden.
Die Anordnung des Sensors im Kreislauf, in welchem das in der Prüfkammer 03 enthaltene Gas umgewälzt wird, soll die unmittelbare Einbindung des Sensors in das komplette Gasvolumen bewirken, um ohne das Erfordernis einer Probenentnahme eine quasi kontinuierliche Messung der Suchgaskonzentration zu ermöglichen. Dem Fachmann wird verständlich sein, dass dieses Erfindungsziel auch erreicht werden kann, wenn auf den externen Kreislauf verzichtet wird, der Umwälzvorgang unmittelbar innerhalb der Prüfkammer 03 stattfindet und der Sensor 14 ebenfalls direkt in der Prüfkammer 03 angeordnet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können auch für eine Permeationsprüfung genutzt werden. Bei einer Permeationsprüfung wird die Permeabilität des Prüfobjektes bestimmt. Auf Grund der Permeabilität des Werkstoffes des Prüfobjektes tritt das Suchgas auch ohne das Vorhandensein von Lecken (in Form von Fehlerstellen) auf. Permeationsprüfungen werden beispielsweise für Gummischutzhandschuhe durchgeführt. Hierbei wird unter anderem die so genannte Durchbruchszeit bestimmt. Die Durchbruchszeit ist die Zeitdauer zwischen dem Beginn der Prüfung und dem Zeitpunkt, ab dem die Permeabilitätsrate mindestens 1 Mikrogramm je Quadratzentimeter und Minute beträgt. Oft nimmt, nach der Durchbruchszeit die Permeabilitätsrate stark zu. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich Permeationsprüfungen besonders genau durchführen, da durch die Umwälzung eine exakte Messung des zeitlichen Verlaufes des Suchgasaustrittes möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können auch für eine Inversmessung genutzt werden. Bei der Inversmessung wird die Prüfkammer mit dem Suchgas gefüllt, während ein Hohlraum des Prüfobjektes eine Zuleitung und eine Ableitung für einen externen Kreislauf aufweist. Das Suchgas tritt bei Vorhandensein eines Leckes aus der Prüfkammer in den Hohlraum des Prüfobjektes ein und lässt sich dann wie beschrieben im externen Kreislauf nachweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können auch für eine Partialmessung genutzt werden. Eine solche Partialmessung ist erforderlich, wenn das Prüfobjekt 02 nicht vollständig innerhalb der Prüfkammer 03 angeordnet werden kann. Insofern die Prüfkammer 03 durch eine Haube gebildet ist, wird die Haube gegen das Prüfobjekt 02 abgedichtet. Die Haube umschließt dabei den Teil der Oberfläche des Prüfobjektes 02, der mit dieser Partialprüfung geprüft werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können auch für einen Bombing-Test zur Bestimmung der Dichtigkeit eines hermetisch abgeschlossenen Prüfobjektes angewendet werden. Der Bombing-Test ist beispielsweise für elektronische Bauelemente, wie Transistoren oder Schaltkreise geeignet. Das Prüfobjekt wird zunächst in einer Druckkammer angeordnet, die mit einem Suchgas gefüllt ist, wobei der Druck in der Druckkammer auf beispielsweise 5 Bar erhöht ist. Das Prüfobjekt verbleibt für eine festgelegte Zeitdauer von beispielsweise 5 Minuten in der Druckkammer. Während dieser Zeitdauer strömt Suchgas in das Innere des Prüfobjektes, insofern das Prüfobjekt Lecke aufweist. Im unmittelbaren Anschluss wird das Prüfobjekt in der Prüfkammer angeordnet, wobei die Umwälzung und die Messung wie oben beschrieben durchgeführt werden. Während dieser Phase strömt das in das Prüfobjekt eingedrungene Suchgas wieder aus diesem heraus.
Aus der gemessenen Leckrate kann auf die wahre Leckrate rückgeschlossen werden.
Um mit der Vorrichtung 01 zur Bestimmung der Dichtigkeit die Leckrate des Prüfobjektes 02 exakt bestimmen zu können, wird die Vorrichtung 01 kalibriert. Bei einer externen Kalibrierung wird die Vorrichtung mit Messnormalen oder Kalibrierlecks kalibriert. Solche Kalibrierlecke werden beispielsweise von akkreditierten Laboren gemäß DIN hergestellt. Die Kalibrierlecke können in ein Objekt, welches dem Prüfobjekt 02 ähnelt und leckfrei ist, integriert werden. Alternativ können ein oder mehrere Kalibrierlecke innerhalb des Umwälzungskreislaufes in die Vorrichtung 01 integriert sein. Die in der 1 gezeigte Ausführungsform weist ein Kalibrierleck 12 im externen Kreislauf vor der Umwälzeinheit 09 auf. Durch die Aufnahme von Messwerten bei abgeschaltetem und bei zugeschaltetem Kalibrierleck 12 wird die Messfähigkeit der Vorrichtung 01 festgestellt, sodass eine Festlegung der Parameter für die Befüllung des Prüfobjektes 02 und der Parameter für die Umwälzung sowie eine Festlegung der Messabläufe erfolgen können. Des Weiteren können diese Werte mit herstellerseitigen Angaben verglichen werden, um die Messfähigkeit der Vorrichtung 01 zum Zeitpunkt der externen Kalibrierung bewerten zu können.
Eine interne Kalibrierung erfolgt ebenfalls mit Messnormalen oder Kalibrierlecken. Hierfür weist die Auswerteinheit 16 eine automatische Abgleichmöglichkeit auf. Es erfolgt ein Vergleich der Normdaten, die für das verwendete Kalibrierleck 12 im Speicher der Auswerteeinheit 16 abgelegt sind, mit den Messdaten, die während der internen Kalibrierung für das Kalibrierleck 12 aufgenommen werden. In den meisten Fällen treten nur geringe Abweichungen auf, sodass lediglich die in der Auswerteeinheit 16 verwendeten Parameter des funktionellen Zusammenhanges zwischen Leckrate und der gemessenen Suchgaskonzentration angepasst werden müssen. Falls es zu größeren Abweichungen kommt, gibt die Auswerteeinheit 16 einen Alarm, dass die Vorrichtung werkseitig neu zu kalibrieren ist.
Der Sensor 14 gibt beim Auftreffen des Suchgases auf die Oberfläche des Sensors 14 ein analoges Signal ab, welches sich im Verhältnis zur auftreffenden Menge Suchgas pro Zeiteinheit ändert. Die Veränderung dieses Signals in einer bestimmten Zeiteinheit ist eine Kenngröße für die Menge an Suchgas, die aus dem Leck ausströmt. Die Auswertung dieser Kenngröße kann für bestimmte Zeitpunkte, integral über eine bestimmte Zeitdauer oder für den zeitlichen Verlauf erfolgen. Die Ermittlung derartiger Maße ist möglich, da der Sensor 14 permanent von dem im Kreislauf umgewälzten Suchgas-Luft-Gemisch umströmt ist. Insofern die Parameter für die Befüllung des Prüfobjektes 02 und die Parameter für die Umwälzung im Kreislauf konstant sind, sind die ermittelten Maße mit anderen Messungen, insbesondere mit denen der Kalibrierungen vergleichbar. Folglich können mit dem in der Kalibrierung ermittelten funktionellen Zusammenhang zwischen der Leckrate und den Maßen für die gemessene Suchgaskonzentration genaue Rückschlüsse auf die Leckrate des Prüfobjektes gezogen werden.
Im Vergleich mit anderen Prüfmethoden, die eine Probe aus der Prüfkammer entnehmen und diese einem Sensor zuführen, kann erfindungsgemäß schneller mit der Messung begonnen werden, da eine quasi Gleichverteilung durch den Umwälzvorgang schnell erreicht ist. Außerdem kann über eine vorgegebene Messzeit eine kontinuierliche Messung der Gaskonzentration durch den Sensor vorgenommen werden. Aus dem ermittelten Konzentrationsanstieg im Umwälzstrom lässt sich mit herkömmlichen mathematischen Verfahren bereits nach der Aufnahme weniger Messwerte eine Funktion bestimmen, welche die Leckrate des Prüfobjekts repräsentiert.
Die Kalibrierung der Vorrichtung 01 und die Gewährleistung konstanter Parameter für die Befüllung des Prüfobjektes 02 und für die Umwälzung im Kreislauf erlaubt eine exakte Bestimmung der Leckrate des Prüfobjektes 02 über einen großen Wertebereich. Die Leckrate kann in unterschiedlichen Einheiten ermittelt werden und als Klartext auf der Auswerteeinheit ausgegeben werden. Es können beispielsweise die Einheiten Kubikzentimeter je Minute oder Millibar-Liter je Sekunde für die Angabe der Leckrate verwendet werden. Weithin kann über die Anzeige eine Entscheidung ausgegeben werden, ob es sich bei dem Prüfobjekt um ein Gut-Teil oder ein Schlecht-Teil handelt. Diese Entscheidung kann auch in anderer Weise optisch oder akustisch ausgegeben werden, sodass der Bediener die Schlecht-Teile sehr schnell aussortieren kann und eine kurze Taktdauer bei der Überprüfung vieler Prüfobjekte gewährleistet ist.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 01 in einer abgewandelten Ausführungsform, welche sowohl eine Akkumulationsmessung als auch alternativ eine Inversmessung erlaubt. Die Vorrichtung 01 besitzt zusätzlich zu den im Zusammenhang mit 1 beschriebenen generellen Bestandteilen weiterhin eine zweite Füllleitung 24 zur Befüllung der Prüfkammer 03 mit Formiergas und eine zweite Entleerungsleitung 26 zur Entleerung der Prüfkammer 03. Die Füllleitungen 04, 24 sind über ein zweites Umschaltventil 27 mit dem Reservoir 06 zur Bereitstellung von Formiergas verbunden.
Durch eine Umschaltung des zweiten Umschaltventils 27 kann alternativ die Prüfkammer 03 oder das Prüfobjekt 02 mit Formiergas gefüllt werden. Die Entleerungsleitungen 17, 26 sind in gleicher Weise zu einem dritten Umschaltventil 28 geführt. So kann entweder die Prüfkammer 03 oder das Prüfobjekt 02 entleert und das Formiergas zu dem Auffang 19 geleitet werden. Die Umschaltventile 27, 28 sind jeweils beide so zu schalten, dass der Formiergasstrom entweder vom Reservoir 06 über die Prüfkammer 03 zum Auffang 19 geleitet wird oder vom Reservoir 06 über das Prüfobjekt 02 zum Auffang 19.
In der Zuleitung 07 befindet sich ein viertes Umschaltventil 29, mit welchem das über den externen Kreislauf umgewälzte Volumen entweder der Prüfkammer 03 oder dem Prüfobjekt 02 zugeführt wird. In gleicher Weise befindet sich in der Ableitung 08 ein fünftes Umschaltventil 31, mit welchem das über den externen Kreislauf umgewälzte Volumen entweder von der Prüfkammer 03 oder von dem Prüfobjekt 02 abgeführt wird. Die Umschaltventile 29, 31 sind jeweils beide so zu schalten, dass entweder das Volumen in der Prüfkammer 03 oder das Volumen im Prüfobjekt 02 über den externen Kreislauf umgewälzt wird.
Zur Durchführung einer Akkumulationsmessung sind das dritte Umschaltventil 27 in den Füllleitungen 04, 24 und das vierte Umschaltventil 28 in den Entleerungsleitungen 17, 26 so zu schalten, dass das Formiergas in das Prüfobjekt 02 eingeleitet und vom Prüfobjekt 02 abgleitet wird. Die Umschaltventile 29, 31 sind jeweils beide so zu schalten, dass das Volumen in der Prüfkammer 03 über den externen Kreislauf umgewälzt wird. Die so erzielte Funktionsweise der Vorrichtung 01 entspricht der Funktion der in der 1 gezeigten Ausführungsform.
Zur Durchführung einer Inversmessung sind das dritte Umschaltventil 27 in den Füllleitungen 04, 24 und das vierte Umschaltventil 28 in den Entleerungsleitungen 17, 26 so zu schalten, dass das Formiergas in die Prüfkammer 03 eingeleitet und von der Prüfkammer 03 abgleitet wird. Die Umschaltventile 29, 31 sind jeweils beide so zu schalten, dass das Volumen im Prüfobjekt 02 über den externen Kreislauf umgewälzt wird. Die so erzielte Funktionsweise der Vorrichtung 01 entspricht der Funktion der oben erläuterten Ausführungsform zur Durchführung von Inversmessungen.
Die in 2 gezeigte Ausführüngsform weist den Vorteil auf, dass die Vorrichtung 01 durch ein Umschalten der Ventile 27, 28, 29, 31 sehr schnell und einfach für eine Akkumulationsmessung oder eine Inversmessung konfiguriert werden kann.
Die Umschaltventile 27, 28, 29, 31 können auch durch andere Umschalteinrichtungen zum gesteuerten Ein- und Auslass der Gase gebildet sein. Die Umschalteinrichtungen können beispielsweise auch durch Mehrwegehähne oder Schieber gebildet sein. Auch können die Umschaltventile 29, 31 sowie die Umschaltventile 27, 28 jeweils zu einer Umschalteinrichtung kombiniert sein.
3 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 01 in einer abgewandelten Ausführungsform, welche die Dichtigkeitsprüfung von Prüfobjekten 02 ermöglicht, die neben dem ersten Hohlraum mindestens einen zweiten Hohlraum 32 aufweisen. Mit dieser Ausführungsform kann sowohl die Dichtigkeit des Prüfobjektes 02 nach außen (also gegenüber der Prüfkammer 03) als auch die Dichtigkeit zwischen den mehreren Hohlräumen 02, 32 innerhalb des Prüfobjekts bestimmt werden. Die im Zusammenhang mit 2 erläuterten Umschalt ventile 27, 28, 29, 31 ermöglichen ein Umschalten zwischen den Messungen, ohne dass hierfür ein Umbau der Vorrichtung 01 oder Veränderungen am Prüfobjekt 02 notwendig sind. Die Vorrichtung 01 ist hinsichtlich der in 2 beschriebenen Ausführungsform nur derart verändert, dass die zweite Füllleitung 24 zu dem zweiten Hohlraum 32 im Prüfobjekt 02 geführt ist und die zweite Entleerungsleitung 26 am zweiten Hohlraum 32 angeschlossen ist.
Zur Bestimmung der Dichtigkeit des ersten Hohlraumes 02 nach außen sind das dritte Umschaltventil 27 in den Füllleitungen 04, 24 und das vierte Umschaltventil 28 in den Entleerungsleitungen 17, 26 so zu schalten, dass das Formiergas in den ersten Hohlraum 02 eingeleitet und vom ersten Hohlraum 02 abgleitet wird. Die Umschaltventile 29, 31 sind jeweils beide so zu schalten, dass das Volumen in der Prüfkammer 03 über den externen Kreislauf umgewälzt wird. Die so erzielte Funktionsweise der Vorrichtung 01 entspricht der Funktion der in der 1 gezeigten Ausführungsform.
Zur Bestimmung der Dichtigkeit des zweiten Hohlraumes 32 gegenüber dem ersten Hohlraum 02 sind das dritte Umschaltventil 27 in den Füllleitungen 04, 24 und das vierte Umschaltventil 28 in den Entleerungsleitungen 17, 26 so zu schalten, dass das Formiergas in den zweiten Hohlraum 32 eingeleitet und vom zweiten Hohlraum 32 abgleitet wird. Die Umschaltventile 29, 31 sind so zu schalten, dass das Volumen im ersten Hohlraum 02 über den externen Kreislauf umgewälzt wird. Der erste Hohlraum 02 steht somit in der Funktion der Prüfkammer 03 der in 1 gezeigten Ausführungsform.
Zur Bestimmung der Dichtigkeit des zweiten Hohlraumes 32 nach außen sind das dritte Umschaltventil 27 in den Füllleitungen 04, 24 und das vierte Umschaltventil 28 in den Entleerungsleitungen 17, 26 so zu schalten, dass das Formiergas in den zweiten Hohlraum 32 eingeleitet und vom zweiten Hohlraum 32 abgleitet wird. Die Umschaltventile 29, 31 sind jeweils beide so zu schalten, dass das Volumen in der Prüfkammer 03 über den externen Kreislauf umgewälzt wird.

01: Vorrichtung zur Bestimmung der Dichtigkeit
02: Prüfobjekt mit Hohlraum
03: Prüfkammer
04: Füllleitung für Formiergas
05
06: Reservoir zur Bereitstellung von Formiergas
07: Zuleitung
08: Ableitung
09: Umwälzeinheit
10
11: Messkammer
12: Kalibrierleck
13: Umschaltventil
14: Staurohr mit Sensor
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16: Auswerteeinheit
17: Entleerungsleitung des Formiergases
18: Sperrventil
19: Auffang
20
21: Umwälzrichtung in der Prüfkammer
22: Umwälzrichtung in der Messkammer
23: Abluftkanal
24: zweite Füllleitung
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26: zweite Entleerungsleitung
27: Umschaltventil zwischen den Füllleitungen
28: Umschaltventil zwischen den Entleerungsleitungen
29: Umschaltventil in der Zuleitung
31: Umschaltventil in der Ableitung
32: zweiter Hohlraum im Prüfobjekt

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes (02), die folgenden Schritte umfassend: – Anordnung des Prüfobjektes (02) in einer Prüfkammer (03); – Befüllung des Prüfobjektes (02) mit einem Suchgas mit Überdruck gegenüber der Prüfkammer (03); – Umwälzung des in der Prüfkammer (03) befindlichen Gasvolumens; und – Messung einer quantitativen Kenngröße des Suchgases mit einem Sensor (14), der sich im umgewälzten Gasvolumenstrom befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzung über einen an die Prüfkammer (03) angekoppelten externen Kreislauf (07, 08, 09) erfolgt, welcher eine Messkammer (11) umfasst, in der der Sensor (14) zur Ausführung der Messung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin einen Kalibrierungsschritt umfassend, in welchem die quantitative Kenngröße des Suchgases gemessen wird, wenn das Prüfobjekt (02) durch ein Kalibrierleck (12) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungsschritt zu festgelegten Zeitpunkten nach der Befüllung des Prüfobjekts (02) wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der quantitativen Kenngröße des Suchgases die bei der Prüfung des Prüfobjekts erhaltenen Sensorwerte über einen festgelegten Zeitraum in einem festgelegten Zeittakt aufsummiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der quantitativen Kenngröße des Suchgases die zeitabhängigen Verläufe der Sensorwerte während der Kalibrierung und der Prüfung des Prüfobjekts gemessen und verglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckrate des Prüfobjektes (02) als Funktion der quantitativen Kenngröße des Suchgases ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Suchgas Wasserstoff ist, welches mit Stickstoff vermischt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkammer (03) vor dem Beginn der Umwälzung evakuiert und/oder mit einem Inertgas gefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zur Bestimmung der Dichtigkeit eines hermetisch abgeschlossen Prüfobjektes (02), wobei die Befüllung des Prüfobjektes dadurch erfolgt, dass das Prüfobjekt (02) für eine vorbestimmte Zeit in einer mit dem Suchgas befüllten Druckkammer angeordnet wird, bevor das Prüfobjekt (02) in die Prüfkammer (03) eingebracht wird.
Verfahren zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes (02), die folgenden Schritte umfassend: – Anordnung des Prüfobjektes (02) in einer Prüfkammer (03); – Befüllung der Prüfkammer (03) mit einem Suchgas mit Überdruck gegenüber dem Inneren des Prüfobjektes (02); – Umwälzung des im Inneren des Prüfobjektes (02) befindlichen Gasvolumens; und – Messung einer quantitativen Kenngröße des Suchgases mit einem Sensor (14), der sich im umgewälzten Gasvolumenstrom befindet.
Vorrichtung (01) zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes (02), umfassend: – eine Prüfkammer (03), in welche das Prüfobjekt (02) einbringbar ist; – ein Reservoir (06) mit einem Suchgas zur Befüllung des Prüfobjekts (02), wobei ein Druck im Prüfobjekt (02) eingestellt wird, der höher als der Druck in der Prüfkammer (03) ist; – ein Mittel zur Umwälzung des in der Prüfkammer (03) befindlichen Gasvolumens; und – einen Sensor (14) zum quantitativen Nachweis des Suchgases, wobei der Sensor (14) innerhalb des umgewälzten Gasvolumens angeordnet ist.
Vorrichtung (01) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14) am Ende eines Staurohrs angeordnet ist, welches innerhalb des umgewälzten Gasvolumens angeordnet ist.
Vorrichtung (01) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Umwälzung Kreislaufleitungen (07, 08), eine Pumpe (09) und eine Messkammer (11) umfassen, die außerhalb der Prüfkammer (03) angeordnet ist, wobei sich der Sensor (14) in der Messkammer (11) befindet.
Vorrichtung (01) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter zur Reinigung des umgewälzten Gasvolumens angeordnet ist.
Vorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Auswerteeinheit (16) zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufes der Messwerte des Sensors (14) umfasst.
Vorrichtung (01) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) eine Leckrate des Prüfobjektes (02) aus den Messwerten bestimmt und diese Leckrate als einen absoluten Wert ausgibt.
Vorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Suchgas Wasserstoff ist, welches mit Stickstoff vermischt ist.
Vorrichtung (01) zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes (02), umfassend: – eine Prüfkammer (03), in welche das Prüfobjekt (02) einbringbar ist; – ein Reservoir (06) zur Befüllung einen Volumens (02, 03) mit einem Suchgas; – eine erste Umschalteinrichtung (27), wobei in einer ersten Schaltstellung das Prüfobjekt (02) vom Reservoir (06) gefüllt wird und ein Druck im Prüfobjekt (02) eingestellt wird, der höher als der Druck in der Prüfkammer (03) ist, und wobei in einer zweiten Schaltstellung die Prüfkammer (03) vom Reservoir (06) gefüllt wird und ein Druck in der Prüfkammer (03) eingestellt wird, der höher als der Druck im Prüfobjekt (02) ist; – ein Mittel zur Umwälzung eines Gases in einem Volumen (02, 03); – eine zweite Umschalteinrichtung (29, 31), wobei in einer ersten Schaltstellung das Gas in der Prüfkammer (03) durch das Mittel zur Umwälzung eines Gases umgewälzt wird, und wobei in einer zweiten Schaltstellung das Gas im Prüfobjekt (02) durch das Mittel zur Umwälzung eines Gases umgewälzt wird; und – einen Sensor (14) zum quantitativen Nachweis des Suchgases, wobei der Sensor (14) innerhalb des umgewälzten Gasvolumens angeordnet ist.
Vorrichtung (01) zur Bestimmung der Dichtigkeit eines Prüfobjektes (02) mit einem ersten Hohlraum (02) und einem zweiten Hohlraum (32), umfassend: – eine Prüfkammer (03), in welche das Prüfobjekt (02) einbringbar ist; – ein Reservoir (06) zur Befüllung eines Hohlraumes (02, 32) mit einem Suchgas; – eine erste Umschalteinrichtung (27), wobei in einer ersten Schaltstellung der erste Hohlraum (02) vom Reservoir (06) gefüllt wird und ein Druck im ersten Hohlraum (02) eingestellt wird, der höher als der Druck in der Prüfkammer (03) ist, und wobei in einer zweiten Schaltstellung der zweite Hohlraum (32) vom Reservoir (06) gefüllt wird und ein Druck im zweiten Hohlraum (32) eingestellt wird, der höher als der Druck im ersten Hohlraum (02) ist; – ein Mittel zur Umwälzung eines Gases in einem Volumen (02, 03); – eine zweite Umschalteinrichtung (29, 31), wobei in einer ersten Schaltstellung das Gas in der Prüfkammer (03) durch das Mittel zur Umwälzung eines Gases umgewälzt wird, und wobei in einer zweiten Schaltstellung das Gas im ersten Hohlraum (02) durch das Mittel zur Umwälzung eines Gases umgewälzt wird; und – einen Sensor (14) zum quantitativen Nachweis des Suchgases, wobei der Sensor (14) innerhalb des umgewälzten Gasvolumens angeordnet ist.