So wird ein Leck mit Hilfe von Druckdifferenzprüfungen aufgespürt

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Dichtheitsprüfverfahren ohne Lecksuchgerät

Die sinnvollste Unterscheidung der bei der Lecksuche zur Anwendung kommenden Prüfmethode ist die Unterscheidung, ob besondere Lecksuchgeräte zum Einsatz kommen oder nicht.

Im einfachsten Fall kann ein Leck qualitativ und bei Verwendung bestimmter Prüfverfahren auch quantitativ (d. h. als Leckrate) ohne die Hilfe eines speziellen Lecksuchers bestimmt werden. So kann die Wassermenge, die aus einem undichten Wasserhahn tropft, über einen bestimmten Zeitraum mit einem Messglas bestimmt werden, aber man würde dies kaum als Lecksuchgerät bezeichnen. In den Fällen, in denen die Leckrate bei der Suche nach dem Leck ohne Lecksuchgerät bestimmt werden kann (siehe Druckanstiegsprüfung unten), wird diese oft in die Helium-Standardleckrate umgerechnet. Dieser Standardleckratenwert wird häufig bei der Ausstellung von Abnahmebescheinigungen benötigt, kann aber auch beim Vergleich von Leckratenwerten, die von Helium-Lecksuchgeräten ermittelt wurden, von Nutzen sein.

Trotz sorgfältiger Prüfung der einzelnen technischen Komponenten können in einem Gerät auch nach der Montage Lecks auftreten, sei es durch schlecht sitzende Dichtungen oder beschädigte Dichtungsflächen. Welche Verfahren zur Untersuchung eines Geräts eingesetzt werden, hängt von der Größe der Lecks und dem angestrebten Grad der Dichtheit ab, und auch davon, ob das Gerät aus Metall, Glas oder anderen Werkstoffen besteht. Im Folgenden werden einige Verfahren zur Dichtheitsprüfung skizziert. Sie wurden entsprechend der jeweiligen Anwendungssituation eingesetzt, wobei oft auch ökonomische Gesichtspunkte eine wichtige Rolle spielen.

Druckanstiegsprüfung

Diese Methode der Dichtheitsprüfung macht sich die Tatsache zunutze, dass durch ein Leck eine über einen bestimmten Zeitraum gleich bleibende Gasmenge in ein ausreichend evakuiertes Gerät einströmt (behinderter Gasstrom, siehe Abb. 1.1). Im Gegensatz dazu nimmt die Gasabgabe von Behälterwänden und von den zur Dichtung verwendeten Materialien (falls diese nicht ausreichend gasfrei sind) mit der Zeit ab, da es sich praktisch immer um kondensierbare Dämpfe handelt, für die irgendwann ein Gleichgewichtsdruck erreicht wird (siehe Abb. 5.5). Zur Vorbereitung der Druckanstiegsmessungen wird das pumpenseitige Ventil des evakuierten Vakuumbehälters geschlossen. Dann wird die Zeit gemessen, in der der Druck um einen bestimmten Betrag ansteigt (z. B. um eine Zehnerpotenz). Das Ventil wird wieder geöffnet, und die Pumpe läuft wieder einige Zeit, woraufhin der Vorgang wiederholt wird. Bleibt die Zeit für den gleichen Druckanstieg konstant, so liegt ein Leck vor, vorausgesetzt, die Wartezeit zwischen den beiden Druckanstiegsversuchen war lang genug. Die Länge einer angemessenen Wartezeit hängt von der Art und Größe des Geräts ab. Wenn der Druckanstieg in der zweiten Phase moderater ausfällt, so ist dieser wahrscheinlich auf die Gasabgabe innerer Oberflächen zurückzuführen.

Abb. 1.1 Schematische Darstellung des Belüftens eines evakuierten Behälters.

1 – Gasdurchfluss qm verblockt = konstant (Maximalwert)
2 – Gasdurchfluss nicht verblockt, qm fällt auf Δp = 0

Abb. 5.5 Druckanstieg innerhalb eines Behälters nach Ausschalten der Pumpe.

Leck
Gasabgabe der Behälterwände
Leck + Gasabgabe

Man kann auch versuchen, zwischen Lecks und Verunreinigungen zu unterscheiden, indem man die Kurve des Druckanstiegs interpretiert. Auf einem Diagramm mit linearer Skala muss die Kurve für den Druckanstieg eine gerade Linie sein, wenn ein Leck vorhanden ist, selbst bei höheren Drücken. Wenn der Druckanstieg durch die Gasabgabe der Wände hervorgerufen wird (was letztlich auf eine Verunreinigung zurückzuführen ist), wird der Druckanstieg allmählich abnehmen und sich einem endgültigen und stabilen Wert nähern. In den meisten Fällen treten beide Phänomene gleichzeitig auf, sodass eine Trennung der beiden Ursachen oft schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist. Diese Beziehungen sind in Abbildung 5.5 schematisch dargestellt. Sobald klar ist, dass der Druckanstieg ausschließlich auf ein echtes Leck zurückzuführen ist, kann die Leckrate quantitativ aus dem zeitlichen Druckanstieg gemäß der folgenden Gleichung bestimmt werden:

(5.3)

Beispiel:

Nachdem der Vakuumbehälter mit einem Volumen von 4 Gallonen (20 l) von der Pumpe getrennt wurde, steigt der Druck in der Apparatur in 300 s von 1 10^{^-4} mbar auf 1 10^{^-3} mbar. Gemäß Gleichung 5.2 beträgt die Leckrate also

Die Leckrate, ausgedrückt als Massenstrom Δm/Δt, ergibt sich aus Gleichung 5.1 bei Q_L = 6 · 10^-5 mbar · l/s, T = 68 °F (20 °C) und der molaren Masse für Luft (M = 29 g/mol) zu

Wird der Behälter mit einer Turbomolekularpumpe TURBOVAC 50 evakuiert (S = 50 l/s), die über ein Absperrventil mit dem Vakuumbehälter verbunden ist, kann ein effektives Saugvermögen von ca. S_eff = 30 l/s erwartet werden. Damit ergibt sich ein Enddruck von

Natürlich kann dieser Enddruck, falls er unbefriedigend ist, mittels einer Pumpe mit größerer Kapazität (z. B. TURBOVAC 151) verbessert werden, und gleichzeitig kann die zum Erreichen des Enddrucks erforderliche Abpumpzeit reduziert werden.

Heutzutage werden Dichtheitsprüfungen an Vakuumsystemen in der Regel mit Helium-Lecksuchern und der Vakuummethode durchgeführt (siehe Seite zur lokalen Vakuum-Dichtheitsprüfung). Die Apparatur wird evakuiert und ein Prüfgas wird außen herum versprüht. In diesem Fall muss es möglich sein, anhand von Probenahmen im Inneren der Apparatur das Prüfgas nachzuweisen, das durch Lecks in die Apparatur eingedrungen ist. Eine andere Möglichkeit ist, die Dichtheitsprüfung nach der Überdruckmethode vorzunehmen. Dabei wird die zu prüfende Apparatur mit einem Prüfgas (Helium) gefüllt und ein leichter Überdruck aufgebaut. Das Prüfgas dringt durch die Lecks nach außen und wird außerhalb der Apparatur nachgewiesen. Die Lecks werden mit Lecksprays (oder Seifenlauge) oder bei Verwendung von He oder H2 als Prüfgas mit einem Lecksucher und einem Schnüffelgerät lokalisiert.

Druckabfallprüfung

Hier gelten analoge Überlegungen wie bei der oben gezeigten Methode des Druckanstiegs. Die Methode wird jedoch nur selten zur Dichtheitsprüfung in Vakuumsystemen verwendet. Ist dies trotzdem der Fall, dann sollte der Anzeigedruck 1 bar nicht überschreiten, da die in der Vakuumtechnik verwendeten Flanschverbindungen in der Regel keine höheren Überdrücke zulassen. Die Überdruckprüfung ist dagegen eine Technik, die häufig im Behälterbau eingesetzt wird. Bei großen Behältern und den langen Prüfzeiten, die sie für den dortigen Druckabfall benötigen, ist es unter Umständen notwendig, die Auswirkungen von Temperaturänderungen zu berücksichtigen. So kann es beispielsweise vorkommen, dass das System unter den Sättigungsdruck für Wasserdampf abkühlt und Wasser kondensiert. Dies muss bei der Bewertung des Druckabfalls berücksichtigt werden.

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