Dichtheitsprüfung

Unter Dichtheitsprüfung versteht man das Verfahren zur Überprüfung der pneumatischen Dichtheit eines Prüflings. Im Unterschied zum Großteil der Messmethoden, wie zum Beispiel das Wiegen oder Messen, erfordert die Dichtheitsprüfung notwendigerweise eine Apparatur. Die Auswahl der Prüfmethode hängt im Allgemeinen von folgenden Parametern ab:

• Zulässige Leckrate
• Art der Prüfung: Leckortung oder Leckmessung
• Spezifizierung des Prüflings: Abmessungen, maximale Druck- oder Vakuumfestigkeit, eingesetzte Materialien, Oberflächenbeschaffenheit usw.
• Einsatz- und Prüfbedingungen
• Sicherheits-und Umweltparameter

Einige der anwendbaren Methoden sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt:

Methode	Medium	Art der PrÜfung	Genauigkeit [ Pa m³/Sec]
Prüfgas und Spektrometer	Helium	Leckortung/ i.O.- nicht i.O.	10-11 … 10-6
Druckanstiegs-Glockentest	Luft	i.O. – nicht i.O.	10-6
Test mittels Druckabfall	Luft	i.O. – nicht i.O.	10-5
Prüfung mittels Volumen- oder Massenstrom	Luft	i.O. – nicht i.O.	10-4
Sichtprobe im Wasser unter Druck	Luft	Sicht	10-4

Die Heliummethode wird nicht berücksichtigt, da sie nicht Teil unseres Produktprogramms ist. Diese Methode ist äußerst genau. Die Anlagen- und Betriebskosten erlauben ihren Einsatz allerdings nur in Fällen, in denen dieser unbedingt erforderlich ist, folglich bei Komponenten für Kühlgase, Mikroelektronik, Herzschrittmacher usw. Auch die Wasserbadprüfung wird hier nicht aufgeführt, da sie neben der tatsächlichen Leckortung keine weitere technische Bedeutung hat.
Der im letzteren Fall von der Norm vorgegebene geringe Genauigkeitsgrad ergibt keine relevanten Messergebnisse, und führt, insgesamt betrachtet, zur Ungenauigkeit im Produktionsablauf und zu überproportionalen Betriebskosten aufgrund nicht vorhandener Automatisierungsmöglichkeiten.

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Im Wesentlichen kommen zwei Methoden für die Δp/Δt-Messung zur Anwendung: Absolut- und Differenzdruck-Systeme. Der Prüfzyklus läuft grundsätzlich in drei Phasen ab:
Befüllung, um den Hohlraum mit Druck zu beaufschlagen, Beruhigung, um das eingebrachte Luftvolumen zu stabilisieren, und Test, bei dem der Druckverlauf zur Messung eines eventuellen Druckabfalls an der Zeitachse analysiert wird.
Das in Abbildung 1 dargestellte Absolutsystem ist die theoretisch direkteste, wirtschaftlichste und offensichtlichste Methode der Prüfdurchführung.

Das in Abbildung 2 dargestellte Differenzdruck-System wird heute in Fällen eingesetzt, in denen dieselbe Genauigkeit bei stark unterschiedlichen Drücken oder bei Prüfungen mit hohen Drücken (>20 Bar) erforderlich ist, auch wenn man im Folgenden sieht, dass sich die Druckanstiegssysteme als besser und sicherer bei hohen Drücken erweisen.

Die Nachteile des Differenzdruck-System sind:

• Erhöhte Komplexität der Pneumatik
• Die Pneumatik ist nicht positiv sicher
• Doppelte Druckmessung (Befüllung und Test)
• Eingeschränkte Wiederholbarkeit der Messung
• Testzeiten relativ lang
• Erhöhte Kosten der Instrumentierung

Um die Unterschiede zwischen den beiden Systemen zu analysieren, betrachten wir die in Abbildung 2 dargestellte Anwendung des symmetrisch angeordneten Differenzdruck-Systems, d.h. mit einem hermetisch dichten Referenzteil und dem Prüfling. Es ist klar, dass zwischen der ersten Prüfung des Prüfzyklus und den darauffolgenden beim Referenzteil eine Häufung der thermischen sowie mechanischen Beruhigungsphase, die gleich "n" ist, auftritt. Diese ist beim Prüfling gleich 0, weil er von Test zu Test ersetzt wird. Aus diesem Grund ist dieses System in Bezug auf die Wiederholbarkeit nicht vergleichbar mit der Absolutdruckmessung.
Es ist auch wichtig zu erwähnen, dass zwischen einem System und dem anderen die in Δp/Δt gemessenen Druckwerte oft nicht übereinstimmen. Bei der Absolutdruckmessung handelt es sich um den mit einem zertifizierten Messaufnehmer ermittelten realen Druckabfall, wohingegen bei der Differenzdruckmessung der Unterschied zwischen zwei Drücken ermittelt wird. Abhängig vom Prüfling, der symmetrischen oder unsymmetrischen Anordnung und den Beruhigungszeiten sollte man ein Verhältnis von 1: 0,8 bis 1: 0,1 zwischen Absolutdruckmessung und Differenzdruckmessung einkalkulieren. Bessergesagt, die in einer Sekunde gemessenen mBar in einem absoluten oder manometrischen System können den 0,8 - 0,1 mb/s im Differenzdrucksystem gegenübergestellt werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass das Differenzdrucksystem ungenau arbeitet, sondern dass es sich um zwei unterschiedliche Messmethoden handelt, was man vor einer Installation berücksichtigen sollte.

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Dieses System ermöglicht es, auf direktem Weg die Durchflussleistung oder den durch ein Leck verursachten Luftdurchsatz zu ermitteln. Nach der Befüllungs- und Beruhigungsphase ist im Allgemeinen eine sehr kurze Zeitspanne notwendig, um eine stabile Messung der Durchflussleistung zu erhalten (z.B.: 0,1 Sec).

Dieses System besteht im Wesentlichen aus einem Durchflusssensor, einem Drucksensor und einem Druckerzeuger, der während der Durchflussmessung den Druck konstant hält. Die pneumatische Komplexität des Systems besteht darin, einen konstanten Druck ohne Schwankungen und Geräusche zu erzeugen, da die Messung, im Unterschied zu den Δ, p-Systemen, bei offener Druckleistung durchgeführt wird.
Die Durchflussmessung erfolgt mit temperaturgeregelten volumetrischen Systemen oder, wie derzeit aktuell, mit Einsatz von Massenstrom-Messgeräten.
Im ersten Fall raten wir, die Vorschriften der Norm CNR-UNI 10023 sowie die allgemeinen Vorschriften über Gase bezüglich der Temperatur-Kompensation zu beachten.

Der praktische Einsatz dieser Messgeräte für die Leckmessung erfolgt im Wesentlichen in drei Fällen:

• wenn das Volumen des Prüflings nicht bekannt und variabel ist: z.B. Motoren, elastische Taschen oder Fläschchen;
• wenn extrem reduzierte Testzeiten erforderlich sind;
• wenn eine kontinuierliche Leckmessung bei Analysen und Reparaturen notwendig ist;
• wenn die zu messenden Lecks so groß sind, dass ein Δp-System den Druck nicht konstant halten kann und die Leckmessung somit verfälscht: Cartridgeventile oder Ölverteiler, Gasaustritte im Allgemeinen.

Normalerweise sind für industrielle Anwendungen die Δp-Systeme wirtschaftlicher und dauerhafter, da weniger pneumatische Verschleißteile vorhanden sind.

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Unter Leckmessung mittels Druckanstieg oder Glockentest versteht man eine Messmethode, die die in die Umgebung außerhalb des Prüflings abgegebenen Leckverluste des Prüflings misst.
Das in der Praxis am weitesten verbreitete und anschaulichste Beispiel ist die Leckmessung hinter dem Ventilschließelement: von der einen Seite wird das Ventil mit Luft beaufschlagt und der Leckverlust wird auf der anderen Seite gemessen.
Dieses Konzept ist für jede Art von Komponenten oder Teilen einsetzbar, vorausgesetzt, der Prüfling kann unter einer Glocke montiert und gleichzeitig im Innern unter Druck gesetzt werden.

Die Vorteile dieses Systems sind die erhöhte Messgenauigkeit (bezogen auf die Norm: 10 mal > in Bezug auf Δp-Systeme und 100 mal > in Bezug auf die Durchflussmessung) und die schnelle Durchführung des Tests.
Die höhere Genauigkeit entsteht aufgrund der Tatsache, dass das Leck als Druckanstieg bezogen auf die “Null”-Umgebung gemessen werden kann, ohne folglich Offset-Probleme zu haben.
Die höhere Geschwindigkeit begründet sich darauf (mit Ausnahme besonderer Anwendungen bei elastischen Teilen), dass der gesamte Test während der Unterdrucksetzung des Prüflings durchgeführt werden kann und das Ergebnis fast ohne Verzögerung vorliegt.
Da eine Prüfglocke bei der Ausführung notwendig ist, bietet sich das System für Hochdruckprüfungen mit Luft/Stickstoff auch bis 180 Bar an, wobei die Sicherheit für Personen und Sachen gewährleistet ist.
Im Gegenzug bietet die Komplexität der Instrumentierung in der Pneumatik keine positive Sicherheit. Aus diesem Grund schließt die Instrumentierung oft einen Bereich mit gewöhnlicher Dichtheitsprüfung ein, um die Dichtheit der geschlossenen Glocke zu testen.

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Der Leckverlust “Null” existiert nicht und selbst wenn, wäre er nicht messbar.
Deswegen ist es unter Zugrundelegung der von der Normenseite gelieferten Tabellen immer wichtig, den zulässigen Leckverlust für den eigenen Prüfling schon im Vorfeld zu definieren.
Nach dieser ersten Bewertung müssen das Betriebsmedium (gasförmig oder flüssig) und die operativen Drücke, mit denen der Prüfling beaufschlagt wird, untersucht werden.

Bei den Bauteilen für Gase, bei denen keine Trennungslinie zwischen den Molekülen der Medien (Prüfung/Betrieb) existiert, hält man sich lediglich an die Gefahrenbewertung: zum Beispiel kann das gleiche Bauteil zwei völlig unterschiedlich zulässige Leckratenschwellen haben, je nachdem ob dieses im Haushalt (Küche) oder in einer Versorgungsleitung im Außenbereich eingesetzt wird.

Beispiele für normierte Leckraten bei Bauteilen für Gase sind:
15 - 60 nCC/Stunde bei 150mBar für Gasregelstrecken im Küchenbereich
1 - 5 nCC/ Stunde bei 5 Bar für Leitungskupplungen für Gase im Außenbereich.
Im Falle der Bauteile für flüssige Medien (Wasser/Blut/Kraftstoffe/Öl usw.) und in Bezug auf das Gefahrenniveau im Fall einer Leckage, gibt es normierte, in Luft gemessene Werte, wo die Flüssigkeit sicherlich nicht entweicht, wenn man das Molekularverhältnis zwischen Luft und einer bestimmten Flüssigkeit betrachtet.

Beispiele für Leckraten bei Flüssigkeiten sind (gemessen an der Luft ,1 Bar)
0,3 – 0,6 nCC/Minute Kraftstofftanks
2,0 – 3,0 nCC/Minute Wassertanks
3,0 – 6,0 nCC/Minute Öltanks
In der Praxis ist es besser, falls möglich, höhere Drücke im Bereich von 1 bis maximal 6 Bar einzubringen. So kann man Prüfzeiten reduzieren und die Prüfleistung merklich erhöhen. Durch Erhöhung der Testdrücke ergibt sich eine Verstärkung der Leckverluste, die in der Regel nicht linear zum Druck sind: beträgt der Verlust bei 1 Bar Testdruck 1 ncm³/Minute, so ergibt sich bei 5 Bar ein viel höherer Wert als 5 ncm³/Minute.

Zusätzlich verstärkt ein höherer Druck einen eventuellen Defekt bei elastischem Material, indem es einen Spalt aufstülpt, wie bei Plastikschweißnähten oder bei Rissen.

Im Gegenzug muss man die negativen Aspekte höherer Drücke bewerten, wie längere Beruhigungszeiten im Fall von elastischen Teilen, versteckte Leckverluste z.B.im Fall von Lippendichtungen, bei denen ein hoher Druck eine Erhöhung der Dichtigkeit eines defekten Teils bewirkt und Sicherheitsprobleme für Personen und Umfeld auslösen kann.

Folglich sollten die richtigen Testdrücke in Zusammenarbeit mit in diesem Bereich tätigen Spezialisten mit jahrelanger Erfahrung insbesondere bezüglich der Instrumentierung ermittelt werden, um die richtige Prüfanordnung zu bestimmen.