Bei der Dichtheitsprüfung unterscheidet man gemäß DIN EN 1779Neue Norm zur Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung, 7. Januar 2013. zum Nachweis der Dichtheit in Vakuum-Verfahren und Überdruck-Verfahren. Zudem erfolgt auch nach der DIN EN 1779 eine Einteilung der Prüfverfahren nach deren Empfindlichkeit.
Die Dichtheitsprüfung gehört zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden. Dichtheitsprüfungen werden in großem Maßstab zum Nachweis der Dichtheit von Prüflingen sowie zur Ortung von Leckagen eingesetzt. Im Hinblick auf den jeweiligen Anwendungsfall (Anforderungen, Randbedingungen) muss sorgfältig geprüft werden, welches Prüfverfahren am geeignetsten ist.
Klassische Einsatzgebiete der Prüfverfahren nach der DIN EN 1779 sind:
Dichtheitsprüfung/Lecksuche an installierten Systemen (Rohrleitungen, Speicher, Kühlanlagen, Vakuumanlagen, Verpackungen, …) Dichtheitsprüfung an Komponenten und Systemen in der Serienproduktion (z. B. Heizkörper(-elemente), Gaszähler, Kraftstoff-Behälter, Kraftstofffilter, Bremsleitungen, Leichtmetallräder, Einspritzpumpengehäuse etc.)
Weitere Begriffe für die Lecksuche sind Lecktest oder Leckprüfung.
Die verschiedenen Verfahren der DIN EN 1779 der Dichtheitsprüfung Werker-Wasserbad-Prüfung bzw. Blasentest Die vermutlich älteste und auch heute noch weltweit am weitesten verbreitete Technik zur Dichtheitsprüfung in der Serienproduktion ist die sogenannte Werker-Wasserbad-Prüfung oder auch „Fahrradschlauch“-Methode genannt. Bei dem Blasennachweisverfahren C1 der DIN EN 1779 wird das zu prüfende Teil abgedichtet, mit (Über-)Druck beaufschlagt und in ein Wasserbecken getaucht. Existiert eine Leckage, so kommt es zur (Luft-)Blasenbildung. Die entstehenden Luftblasen werden vom Werker/Prüfer „detektiert“ und dabei gleichzeitig die Leckage lokalisiert. Die Lokalisierung der Leckage stellt auch heute noch einen großen Vorteil dieses Prüfverfahrens dar. Die Methode ist jedoch subjektiv, da hier der Mensch die Entscheidung über dicht/undicht fällt. Daher wird sie trotz ihrer Vorteile in der industriellen Fertigung immer weniger akzeptiert. Sieht man alle 30 Sekunden ein Luftbläschen mit einem Volumen von 3 mm³, entspricht dies einer Empfindlichkeit von ca. 1·10−4 mbar l/s. In der Realität sieht ein Werker nur weitaus größere Leckagen. Ein weiterer Nachteil für den industriellen Einsatz besteht in der notwendigen Trocknungszeit des Prüflings.
Wasserbadprüfung bzw. Blasentest mit Ultraschallsensor Bei der Ultraschall-Gasblasen-Detektion, dem Blasennachweisverfahren C1 der DIN EN 1779, übernimmt ein Ultraschallsystem die Detektion der bei einer Leckage austretenden Luftblasen in der bereits oben beschriebenen Wasserbadprüfung. Dadurch wird das o. g. Verfahren objektiv und sensitiv. Über die Auswertung der Laufzeit des Ultraschallsignals vom Sender/Empfänger bis zu den Leckageblasen können diese vom Ultraschall-Gasblasen-Detektionssystem lokalisiert werden. Damit gehört dieses Verfahren zu den wenigen automatischen Dichtheitsprüfverfahren mit Lokalisierungseigenschaft.
Differenzdruck-Prüfung Bei der Differenzdruck-Prüfung (→ Druckprüfung), dem Druckänderungstest D3 der DIN EN 1779, wird das Prüfteil und ein Referenzteil bzw. Referenzvolumen mit Druck beaufschlagt. Nach einer kurzen Beruhigungszeit wird das Teil von der Versorgung getrennt (Ventil geschlossen) und nach einer weiteren Messzeit die Druckdifferenz zwischen Prüfteil und Referenzteil gemessen. Die Differenzdruck-Prüfung zählt zu den kostengünstigen Methoden der werkerunabhängigen Dichtheitsprüfverfahren und ist dementsprechend weit verbreitet. Die Differenzdruck-Prüfung ist nicht zu verwechseln mit der einfacheren Druckdifferenz-Prüfung, dem Überdruckverfahren D1 der DIN EN 1779, bei der keine Vergleichsmessung auf ein Referenzteil durchgeführt wird, sondern nur ein absoluter Druckabfall gemessen wird. Die Druckdifferenz-Messung ist etwas günstiger, aber hat auch deutliche Nachteile zur Differenzdruck-Messung. Die Differenzdruck-Prüfung ist ein indirektes Verfahren, da nicht die aus der Leckage austretende Stoffmenge bzw. Substanz detektiert wird, sondern die dadurch hervorgerufene Druckänderung. Zu den Nachteilen des Verfahrens gehören:
Volumenabhängigkeit: Die gleiche Leckage verursacht bei unterschiedlichen Volumina unterschiedliche Druckänderungen. Während bei einem sehr kleinen Volumen eine kleine Leckage bereits eine größere Druckdifferenz hervorruft, bewirkt eine kleine Leckage bei einem großen Messvolumen nahezu keine Druckänderung. Temperaturabhängigkeit: Eine Temperaturänderung verursacht ebenfalls eine Druckänderung in einem abgeschlossenen Volumen. So kann z. B. eine Temperaturerhöhung zu einem Druckanstieg führen, obwohl eine Leckage vorhanden ist. Ebenso kann ein Temperaturabfall zu einem Druckabfall führen, obwohl keine Leckage vorhanden ist.
Vorteile:
geringe Anschaffungskosten; geringe Betriebskosten (keine teuren Testgase); bei kleinem Volumen schnell und präzise
Ultraschall-Detektion Da das bisher in Space Shuttles verwendete Ultraschallgerät für die Detektion einer Leckage in der Außenhaut bis zu eine Woche benötigte, wird nun ein neuer Sensor erprobt. Er besteht aus 64 kleinen Messfühlern und misst die akustischen Schwingungen (Vibrationen) im Raumfahrzeug selbst, die die ausströmende Luft erzeugt. Ein Computer errechnet daraus innerhalb von einer Minute die Position der Fehlstelle.Dale Chimenti, University of Iowa, 2007.
Dichtheitsprüfung mit Testgasen Die Testgas-Leckageprüfung mit Testgasen kann sowohl qualitativ als auch quantitativ eingesetzt werden. Sie ist zusammen mit auf Radioaktivität basierenden Messverfahren das empfindlichste zerstörungsfreie Prüfverfahren und bietet darüber hinaus einen breiten dynamischen Bereich, ist also in der Lage, sowohl sehr kleine als auch sehr große Leckagen zu detektieren. Als Testgase werden Wasserstoff (meist als Formiergas), Schwefelhexafluorid und vor allem Helium eingesetzt. Das Testgas Helium dominiert die Testgasmethoden, da es nur in geringer natürlicher Konzentration von etwa 5 ppm in der Atmosphäre vorkommt. Als Edelgas geht es zudem keine chemische Reaktionen ein und ist damit sehr betriebssicher. Bei der Prüfung kann es mit hoher Selektivität und ohne Querempfindlichkeit nachgewiesen werden. Als Nachweisgerät wird dabei ein fest auf die Heliummasse 4 eingestelltes Massenspektrometer eingesetzt, das zusammen mit dem zugehörigen Gasverteilungs- und Vakuumsystem ein kompaktes Lecksuchgerät mit einfacher Bedienung bildet. In kommerziellen Helium-Lecksuchgeräten werden vorzugsweise magnetische Sektorfeldmassenspektrometer eingesetzt. Bei der Dichtheitsprüfung im Rahmen der (Hoch-)Vakuumtechnik wird ausschließlich Helium als Testgas eingesetzt, um Leckagestellen nachzuweisen.
Die Leckageprüfung mit einem Testgas beruht auf dem Erzeugen eines Druckunterschieds zwischen dem Prüfling und dem Nachweisgerät. Dies kann durch Erhöhung oder Erniedrigung des Drucks auf einer Seite des Prüflings im Vergleich zur anderen Seite oder einer Kombination von Druckerniedrigung und Druckerhöhung erreicht werden. Im Falle einer Leckage entsteht ein konstanter Gasstrom von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite. Befindet sich auf der Niederdruckseite ein Nachweisgerät für das strömende Testgas, kann die Leckage qualitativ oder quantitativ nachgewiesen werden.
Helium-Lecksuchgeräte Traditionelle Lecksuchgeräte Das traditionelle Nachweisgerät ist ein magnetisches Sektorfeldmassenspektrometer. Ein Heizfaden oder Filament emittiert bei hohen Temperaturen Elektronen, die beschleunigt und in eine Ionisationskammer geleitet werden. In der Ionisationskammer werden die dort vorhandenen Gasmoleküle durch Elektronenstöße ionisiert. Damit werden aus elektrisch neutralen Gasteilchen positive Ionen. Diese positiven Ionen können nun durch eine Ziehelektrode elektrisch abgesaugt und durch eine hohe Beschleunigungsspannung in ein Magnetfeld eingeschossen werden. Die Ionen beschreiben im Magnetfeld eine Kreisbahn, deren Radius von der Ionenmasse abhängig ist.
Der Arbeitsdruck des Massenspektrometers liegt bei < 10−4 mbar. In kommerziellen Lecksuchgeräten ist das Massenspektrometer immer auch mit einem Vakuumsystem kombiniert, das mindestens aus einer mechanischen Vorpumpe, einer Hochvakuumpumpe, Druckmessgeräten sowie einer Reihe von druckabhängig gesteuerten Ventilen besteht. Stand der Technik ist ebenfalls ein integriertes Testleck, mit dem das Lecksuchgerät kalibriert werden kann.
Vor der Leckageprüfung muss sichergestellt sein, dass der Prüfling sauber und trocken ist. Ausgasungen durch Dämpfe oder Flüssigkeitsreste verlängern die Pump- und damit Prüfzeit. Die eingetragenen Verunreinigungen verkürzen die Standzeit des Messgeräts.
Die einzelnen Funktionen und Betriebszustände werden in der Folge am Beispiel einer Vakuumprüfung erklärt. Nach Einschalten des Lecksuchgeräts wird die Spektrometerzelle permanent leergepumpt. Damit wird Rest-Helium aus dem Messgerät entfernt und ein bestmögliches Signal-Rausch-Verhältnis sichergestellt.
Nach Anflanschen des Prüflings und Start des Testzyklus wird zunächst der Prüfling evakuiert. In diesem Betriebszustand sind Hochvakuumpumpe und Massenspektrometer abgesperrt.
Grobleck- oder Gegenstrommodus Nach Erreichen einer bestimmten Druckschwelle werden Hochvakuumpumpe und Massenspektrometer wieder zugeschaltet. Das Testgas kann nun im Gegenstrom durch die Hochvakuumpumpe zur Analysenzelle gelangen.
Die Druckschwelle für diesen sogenannten Grobleck- oder Gegenstrommodus liegt bei kommerziellen Geräten zwischen etwa 1 und 25 mbar, bei Spezialgeräten bis zu 200 mbar. Zum Erreichen kurzer Pumpzeiten ist eine hohe Druckschwelle von Vorteil. Dies muss jedoch abgewogen werden gegen eventuelle Verunreinigungen (Wasserdampf, Reste von bei der Teilebearbeitung eingesetzten Flüssigkeiten), die noch aus dem Prüfling emanieren und abgepumpt werden müssen.
Das Grobleck- oder Gegenstromverfahren zeichnet sich durch einen geringen Zeitbedarf aufgrund kurzer Pumpzeiten und einem guten Schutz des Massenspektrometers bei Lufteinbruch (z. B. Implosion des Prüflings) aus. Nachteile sind die eingeschränkte Empfindlichkeit von ca. 10−7 bis 10−8 mbar l/s und eine langsame Ansprechzeit.
Feinleck- oder Hauptstrommodus Um die maximale Empfindlichkeit des Lecksuchers ausnutzen zu können, muss weiter abgepumpt werden. Im sogenannten Feinleck- oder Hauptstrommodus wird eine direkte Verbindung zwischen dem Einlass des Lecksuchgeräts und dem Massenspektrometer hergestellt.
Um den Arbeitsdruck des Massenspektrometers nicht zu überschreiten, muss bei diesem Verfahren der Einlassdruck sehr niedrig sein. Bei den meisten kommerziellen Geräten liegt der maximale Einlassdruck im Feinleckmodus bei etwa 10−2 mbar. Einige Geräte erreichen ihren empfindlichsten Messmodus mit maximaler Empfindlichkeit bereits bei einem Druck von ca. 0,5 mbar.
Das Feinleck- oder Hauptstromverfahren zeichnet sich aus durch die höchste Empfindlichkeit von ca. 10−11 bis 10−12 mbar l/s und eine schnelle Ansprechzeit. Die Prüfergebnisse sind hervorragend reproduzierbar und der Prüfling ist gut geschützt vor zurückdiffundierenden Gasen aus der Vorpumpe (wichtig z. B. bei tiefkalten Prüflingen). Nachteile sind der höhere Zeitbedarf durch längere Pumpzeiten und ein schlechterer Schutz der Analysenzelle bei Lufteinbruch.
Neben den oben beschriebenen Vakuumverfahren wird auch beim Schnüffeltest das Testgas im Gegenstrom an das Massenspektrometer geleitet.
Neuartige Helium-Lecksuchgeräte