Im Vergleich zu traditionellen Techniken wie dem Blasenprüfverfahren oder einer Druckänderungsprüfung liefert die Helium-Lecksuche deutlich genauere und umfassendere Daten. Mit diesen Informationen können Lecks zuverlässig geortet und zudem die Produktionsprozesse verbessert werden. Die Helium-Lecksuche ist sehr genau, quantitativ und wiederholbar.
Liegt der Verdacht einer Leckage vor, erwartet der Anwender vor allem Schnelligkeit: Das Leck soll möglichst sofort lokalisiert und behoben werden, um Verzögerungen und Anlagenausfälle zu vermeiden.
Zusätzliche Pumpen verkürzen die Messzeit
Grundsätzlich eine geeignete Maßnahme, allerdings erhöht sich bei gegebenem Saugvermögen der eingesetzten Pumpen die Ansprechzeit des Lecksuchers, je größer das Volumen des zu prüfenden Objekts ist. Um die Messzeit zu verkürzen und schneller ein Ergebnis zu bekommen, sind verschiedene Maßnahmen möglich.
Durch den Einsatz einer zusätzlichen Turbopumpe als Booster“ kann die Zeitkonstante des Vakuumsystems und damit auch die Ansprechzeit bei der Lecksuche verkürzt werden. Die Turbopumpe wird dazu direkt an das zu prüfende Objekt angeflanscht. Der Lecksucher wird in Serie als Vorpumpe für die Turbopumpe eingesetzt. Mit diesem Aufbau wird die Ansprechzeit kürzer, eine zeitliche Verschiebung des Signals wird vermieden und der Signalabbau nach Detektion eines Signals deutlich schneller.
Bei Kammergrößen von mehreren hundert Litern ist eine Zusatzpumpe hilfreich – bei mehreren Kubikmetern sogar unerlässlich – um Lecks in einer akzeptablen Zeit zu finden. Dringt Helium durch ein Leck in ein Vakuumsystem, so wird der ein-gehende Helium-Gasfluss durch die Kammer transportiert und vom Pumpsystem ohne Verluste wieder aus der Anlage herausbefördert. Der Gasdurchsatz kann direkt mit einem Helium-Lecksuchgerät gemessen werden.
Die Füllung des Behälters bis zu einem dynamischen Gleichgewichtswert der Heliumkonzentration erfolgt mit einem zeitlichen Anlaufverhalten, das als Zeitkonstante des Vakuumsystems bezeichnet wird. Weitere Details dazu vermittelt der Infokasten.
Orten ist einfacher
Soll ein Leck nicht quantitativ gemessen, sondern lediglich geortet werden, genügt ein kurzes Besprühen der verdächtigen Stellen mit geringsten Mengen an Helium. Der Signalaufbau folgt derselben Gesetzmäßigkeit wie bereits beschrieben. Nachdem es aber nicht zur Einstellung einer Gleichgewichtskonzentration des Prüfgases Helium in der Kammer kommt, wird kurz nach dem Anstieg auch wieder ein Signalabfall beobachtet. Dies verdeutlicht folgendes Beispiel: Eine Kammer soll mit einem Lecksucher ohne weitere Hilfspumpen geprüft werden. Eine Undichtigkeit wurde mittels eines Prüflecks mit einer Leckagerate von 1 · 10-6 Pa · m3 · s-1 (1 · 10-5 mbar · l s-1) simuliert. Bei einem Kammervolumen von 180 l und einer effektiven Saugleistung des Lecksuchers von 1 l/s beträgt die Zeitkonstante 180 s. Der Prüfer müsste also 3 min warten, bis das Signal auch nur 63 Prozent seiner tatsächlichen Intensität erreicht hat und auch genauso lange Helium auf die Leckstelle sprühen.
Tatsächlich wird deutlich kürzer gesprüht (im Beispiel 1 s lang), was sich in einer reduzierten Signalintensität auswirkt. Um zügig wieder einen niedrigen Untergrund zu erreichen, wird das Leck nach 20 s mit heliumfreiem Stickstoff gespült.
Das geringe Saugvermögen führt zu dem in Bild 2 gezeigten langsamen Signalanstieg mit zeitlicher Verzögerung des Signals. Die angezeigte Signalintensität ist 50-fach kleiner als der Wert des Prüflecks. Auch der langsame Abfall bis zum Erreichen des Helium-Untergrundsignals ist für die Praxis wenig tauglich. Nach jedem Sprühen muss man 5 bis 10 min lang warten, um den nächsten Test durchführen zu können.
Pumpstand und Reihenschaltung
Bild 3 zeigt die Wirkung eines parallel geschalteten Pumpstands mit hohem Saugvermögen auf das zeitliche Ansprechverhalten. Der Signalanstieg ist deutlich steiler, insbesondere ist auch das Signal-Abklingverhalten bis auf Untergrund-Niveau wesentlich beschleunigt. Die Signalintensität ändert sich allerdings kaum. Der Pumpstand wirkt durch die Parallelschaltung zum Lecksucher als konkurrierender Pumpstand, der den größten Teil des Prüfgases absaugt. Damit kann dieser Anteil des Heliums nicht mehr mit dem Lecksucher nachgewiesen werden.
Bild 4 zeigt Ansprech- und Abklingverhalten einer Reihenschaltung von Hochvakuumpumpe und Lecksucher. Das hohe Saugvermögen der Turbopumpe führt zu einem Signalanstieg auf den nominellen Wert des Prüflecks innerhalb kurzer Zeit. Auch das Abklingverhalten ist deutlich beschleunigt. Im Vergleich zu Bild 2 haben sich aber nicht nur Anstiegs- und Abklingverhalten beschleunigt, auch die Signalintensität wird jetzt korrekt wiedergegeben und erhebt sich um vier Dekaden aus dem Untergrund – bei der Messung mit dem Lecksucher allein war es gerade einmal Faktor 10.
Fazit
Eine Turbopumpe als Booster hat bei der Lecksuche die folgenden Wirkungen:
Schnelle Signalanstiegszeit
Schnelle Signalabklingzeit
Vermeidung einer zeitlichen Verschmierung des Signals
Neben dem gesunkenen Zeitbedarf für die eigentliche Lecksuche sind auch Ersparnisse, zum Beispiel durch Anlagenstillstand, zu erwähnen. Ein an der zu prüfenden Kammer angeschlossenes externes Prüfleck ist zur Messung des Zeitbedarfs und der Signalverläufe dringend zu empfehlen.
Infokasten Zeitkonstante“
Die Zeitkonstante ist vom Volumen des Vakuumsystems und dem effektiven Saugvermögen des Pumpsystems bestimmt (Formel 1):
63% Zeitkonstante
Seff effektives Saugvermögen
V Volumen des Prüfobjekts
Der in Bild 1 gezeigte zeitliche Verlauf des Anstiegs kann mit Formel 2 modelliert werden:
qHe,end Endwert: He-Leckagerate
tS Signalanstiegszeit (s)
Seff effektives Saugvermögen (l/s)
V Volumen des Prüfobjekts (l)
Es kommt also zu einer exponentiellen Annäherung an den nominellen Wert des eingesetzten Prüflecks. Nach der dreifachen Zeit der Zeitkonstante sind bereits 95 Prozent des theoretischen Endwerts erreicht. Dieses zeitliche Ansprechverhalten kann beobachtet werden, wenn Helium permanent zugeführt wird. Beispiele sind Prüflecks mit Reservoir oder auch die Integralprüfung eines unter Überdruck stehenden Bauteils in einer Vakuumkammer.
Lecksucher ASM 340
Der universelle, einfach bedienbare Lecksucher eignet sich für die Vakuum- oder Schnüffellecksuche, unter anderem bei Wartungsmaßnahmen. Möglich ist sowohl die qualitative Lokalisierung von Lecks als auch die quantitative integrale oder lokale Prüfung. Der Lecksucher hat ein leistungsstarkes Pumpsystem und liegt als konventionelles oder ölfreies Modell vor. Kurze Ansprech- und Erholungszeiten sind weitere Merkmalen des kompakten Allround-Gerätes mit schneller Betriebsbereitschaft und hohem Saugvermögen. Es kann Leckagen ab 100 hPa lokalisieren.
Lecksucher ASM 380
Der mobile Hochleistungslecksucher ASM 380 mit hohem Helium-Saugvermögen ist für schnelles Abpumpen und kurze Ansprechzeiten bei großen Prüflingen ausgelegt. Er ist mit einer ölfreien Vorvakuumpumpe und einer leistungsstarken Hochvakuumpumpe ausgestattet. Auch bei großen Volumina werden kurze Abpumpzeiten erzielt. Die schmale Bauweise und die kompakten Abmessungen sowie der Aufbau auf einem Wagen mit großen Rollen und niedrigem Schwerpunkt machen den Lecksucher mobil und sicher transportierbar. Das abnehmbare Farbdisplay ist um 360° drehbar und aus jeder Lage ablesbar. Eine integrierte SD-Karte ermöglicht die einfache Speicherung und Verarbeitung von Messdaten und Geräteparametern. Mittels eines Flaschenhalters kann eine Helium-Flasche am Gerät befestigt und bequem transportiert werden.
Dr. Rudolf Konwitschny,
Technical Support bei der Pfeiffer Vacuum GmbH, Asslar
