Lecksuche und Dichtheitsprüfung mit Prüfgasen

In vielen Anwendungsszenarien empfiehlt sich für Dichtheitsprüfung und Lecksuche der Einsatz von Prüfgasen. Die Zahl der allgemein gebräuchlichen Prüfgase ist überschaubar, und nennenswert verbreitet sind eigentlich nur zwei: Helium und Wasserstoff – die beiden Gase mit der kleinsten Molekülgröße und dem geringsten Molekülgewicht. Dass ausgerechnet Helium und Wasserstoff sich als Prüfgase durchsetzen konnten, ist eine Konsequenz aus den allgemeinen Anforderungen, die der Einsatz von Prüfgasen mit sich bringt. Diese Anforderungen an Prüfgas und Testverfahren lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Geringer natürlicher Untergrund des Prüfgases
• Inert, keine chemischen Reaktionen des Prüfgases mit dem Prüfobjekt oder der umgebenden Atmosphäre
• Hohe Selektivität, keine Querempfindlichkeit
• Umweltfreundlichkeit
• Normenkonformität

Die natürliche Hintergrundkonzentration von Helium und Wasserstoff ist anders als etwa bei Argon oder Kohlendioxid sehr gering, was den gezielten Nachweis des Prüfgases schon einmal wesentlich unkomplizierter gestaltet. Helium und Wasserstoff (He und H₂) sind zudem deutlich kostengünstiger als andere Prüfgase wie beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF6).

Ebenfalls wichtige Faktoren für die Eignung eines Prüfgasverfahrens sind die Empfindlichkeit (also eine möglichst kleine Nachweisgrenze) und die Selektivität (das Ansprechen nur auf das eingesetzte Prüfgas, ohne Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen).

Die gerätetechnisch etwas aufwändigere Helium-Lecksuche, die normalerweise mit Massenspektrometern im Vakuum arbeitet, ist zugleich sehr selektiv und höchst empfindlich. Mit ihr sind Leckagen von bis zu 10^-11 mbar · l/s oder sogar noch kleiner feststellbar. Auch die Wasserstoff-Methode, die die Anwesenheit von Wasserstoff mit einem Halbleitersensor ermittelt, zeichnet sich durch hohe Selektivität und Empfindlichkeit aus. Hier liegt die Nachweisgrenze bei 5 x 10^-7 mbar · l/s. Anders als die meisten anderen Prüfgase haben weder Helium noch Wasserstoff negative Auswirkungen auf die Umwelt – ein weiterer Pluspunkt bei ihrem Einsatz als Prüfgas. Für die Wasserstoff-Methode wird meist ein unbrennbares und kostengünstiges Gasgemisch aus 5% Wasserstoff und 95% Stickstoff eingesetzt, das auch unter dem Namen Formiergas handelsüblich ist. Die Wasserstoff-Methode empfiehlt sich zudem durch ihren geringen technischen Aufwand und niedrige Investitions- sowie Betriebskosten.

Dennoch gibt es für Helium und Wasserstoff, die beiden Stars unter den Prüfgasen, unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte. Wenn etwa in der Serienproduktion eine 100%-Prüfung aller gefertigten Teile mit kurzen Taktzeiten realisiert werden soll, wird sich das Helium-Verfahren oft als überlegen erweisen, während die Wasserstoff-Methode ihre Stärken beispielsweise bei der mobilen Lecksuche ausspielt. Wasserstoff-Lecksucher sind leichter als Massenspektrometer. Sie brauchen keine Pumpen und daher kaum Wartung. Zudem gibt es spezielle Wasserstoff-Lecksucher, die über eine ATEX-Zulassung verfügen und in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können, etwa in der chemischen Industrie und Prozesstechnik oder bei der Dichtheitsprüfung von Flugzeugtanks.

Ob Bombing oder Schnüffelprüfung, Überdruck- oder Vakuum-Verfahren – für jede dieser Anwendungen gibt es in der Regel ein zu favorisierendes Prüfgas: Helium oder Wasserstoff. Auch wenn der Lecksuchanfänger vor schier unüberwindlichen Hindernissen steht - die detaillierte Analyse der Lecksuchaufgabe durch einen Prüfgasspezialisten führt zur Auswahl eines technisch geeigneten und normenkonformen Prüfverfahrens.

Eine systematische Einteilung der einzelnen Verfahren ist in der DIN EN 1779 „Dichtheitsprüfung: Kriterien zur Auswahl von Prüfmethoden und -verfahren“ zu finden. In dieser Norm werden Prüfverfahren nach den folgenden Kriterien klassifiziert:

• Gasstrom aus dem Objekt oder Gasstrom in das Objekt
• Prüfung eines Teilbereichs oder des gesamten Prüfobjekts
• Anwendung zur Lokalisierung oder der quantitativen Messung einer Leckage

Einen ersten Anhaltspunkt zur Verfahrensauswahl gibt der Leitfaden in Abbildung 1. Dabei bedeutet die orange Farbe das Prüfgas Helium, grün steht für Wasserstoff bzw. Formiergas.

Verfahrensauswahl Prüfgasverfahren

Abb. 1: Leitfaden zur Auswahl eines Prüfverfahrens

Die erste Frage, die sich bei der Wahl von Helium oder Wasserstoff für die betreffende Leckageprüfung stellt, ist, ob das Prüfteil eine Öffnung hat, an die eine Prüfgaszufuhr angeschlossen werden kann. In den eher seltenen Fällen, in denen das nicht zutrifft und das Prüfteil hermetisch geschlossen ist, ist das sogenannte Drucklagerungsverfahren, auch bekannt als Bombing, anzuwenden – ein Fall für Helium. Beim in Abbildung 2 gezeigten Bombing wird das Prüfteil in einer geschlossenen Kammer mit einer Helium-Atmosphäre beaufschlagt, damit Helium durch etwaige Lecks in das Prüfteil eindringen kann. Anschließend wird in einer Vakuum-Prüfkammer innerhalb weniger Sekunden gemessen, wieviel Helium aus dem Prüfteil wieder austritt. Ein Anwendungsfall für das Helium-Bombing ist etwa die Prüfung von Quarzen für Mobiltelefone.

Abbildung 2: Bombing

Für den weit häufigeren Fall, dass das Prüfteil über einen Anschluss verfügt, misst man einfach, wieviel Prüfgas ein- bzw. austritt. Die Nachweisgrenze der zur Lecklokalisierung eingesetzten Schnüffelprüfung ist durch den natürlichen Gehalt der Prüfgase Wasserstoff und Helium in der Umgebungsluft bestimmt und liegt in der Größenordnung von

10^-7 Pa · m³/s. Bei der in Abbildung 3 gezeigten Schnüffelprüfung kommen die Kompaktheit und Mobilität des Wasserstoff-Lecksuchgeräts zum Tragen. Man fährt mit dem Sensor einfach über die Oberfläche des Prüfteils bis die Stelle lokalisiert ist, an der das Prüfgas austritt. Dieses Prüfteil kann beispielsweise ein Motor, ein Kraftstoffsystem oder das Rohrleitungs- und Ventilsystem einer chemischen Anlage sein.

Abbildung 3: Schnüffelprüfung

Soll statt einer lokalen Schnüffelprüfung eine integrale Dichtheitsprüfung durchgeführt werden, muss man zwei typische Fälle unterscheiden: Prüfungen in der Akkumulationskammer und Prüfungen in der Vakuumkammer. Die Überdruck- oder Akkumulationsmethode ist technisch einfacher, die Vakuummethode ist dagegen schneller und hat die bessere Nachweisempfindlichkeit. Ist die geringere Empfindlichkeit der in Abbildung 4 gezeigten Akkumulationsmethode für den Anwendungszweck ausreichend, findet die Prüfung unter einer einfachen, abgedichteten Haube statt, der Akkumulationskammer. In der Kammer wird das Prüfteil durch seinen Prüfgasanschluss mit Wasserstoff oder Helium beaufschlagt, so dass das Prüfgas durch etwaige Lecks in die Akkumulationskammer austreten kann und dort gesammelt wird. Das Lecksuchgerät ermittelt dann den Prüfgasgehalt in dieser Atmosphäre.

Abbildung 4: Akkumulationsmethode

Führt man die integrale Dichtheitsprüfung nicht in einer Akkumulations-, sondern in einer Vakuumkammer durch, steigt die Empfindlichkeit des Verfahrens. Das Vakuumverfahren für umschlossene Objekte ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Vakuumverfahren für umschlossene Objekte

Alternativ zu Verfahren, bei denen Leckageströme aus dem Prüfobjekt gemessen werden, gibt es auch eine Reihe von Verfahren, bei denen Leckageströme in das Prüfobjekt nachgewiesen werden können. Bei diesen Verfahren wird der Prüfobjekt direkt an das Lecksuchgerät angeschlossen. Die Druckrichtung bei der Prüfung kehrt sich um und die Prüfgaszugabe erfolgt auf der Außenseite des Objekts. Die einfachste Art der Prüfgasaufgabe ist das in Abbildung 6 gezeigte Aufsprühen mit Hilfe einer fein dosierbaren Sprühpistole.

Abbildung 6: Aufsprühen mit Hilfe einer fein dosierbaren Sprühpistole

Das einfache Aufsprühen von Prüfgas wird als Verfahren zur Lokalisation von Leckagen bezeichnet, da die Konzentration des Prüfgases an der Leckagestelle nicht präzise definiert ist. Eine reproduzierbare Quantifizierung der Prüfgaskonzentration und damit des Messergebnisses gelingt durch Umhüllung der Leckage. Dies kann partiell durch Aufbringen einer Hülle über dem Leckageort oder Einbringen des Prüfobjekts in ein prüfgasbefülltes Behältnis geschehen. Mit diesen quantitativen Verfahren können mit Helium als Prüfgas kleinste Leckagen reproduzierbar quantifiziert werden. Laut der bereits genannten EN 1779 können so Leckagen bis hinab zu 10^-11 mbar · l/s festgestellt werden.

Mitunter können für ein und dasselbe Prüfteil sogar Wasserstoff- und Helium-Verfahren sinnvoll sein – wenngleich zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Will man beispielsweise für Kompressoren aus Autoklimaanlagen eine integrale Dichtheitsprüfung bei der Großserienfertigung realisieren, empfiehlt sich die Prüfung in der Vakuumkammer mit Helium als Prüfgas. Muss solch ein Klimaanlagen-Kompressor später einmal repariert werden, gilt es dann, das Leck zu lokalisieren: ein Fall für die Schnüffelprüfung mit dem Wasserstoff-Lecksucher. Ob Helium oder Wasserstoff – wer wirklich sicher gehen will, die optimale Prüfgasmethode für seinen Bedarf auszuwählen, sollte sich beide Prüfgase, He und H₂, gründlich ansehen. Wenn der Einsatz von Prüfgas sinnvoll ist, wird man bei einem der beiden Prüfgase jedenfalls fündig.

Die Autoren:

Matthias Block
Manager Europe North Leak Detection Solutions
Pfeiffer Vacuum GmbH,
Sales & Service
Wertheim

Dr. Rudolf Konwitschny
Application Support Manager
Pfeiffer Vacuum GmbH,
Sales & Service
Wertheim