Nachweisempfindlichkeit von Prüfgasen im Schnüffeltest
Frage: Mit welchem Prüfgas erreicht man im Schnüffeltest die höchste Nachweisempfindlichkeit?
Antwort: In der Praxis erzielt man mit Helium und Wasserstoff die gleiche Nachweisempfindlichkeit. Wie kommt es dazu?
Begründung: Detektoren, die für den Nachweis von Spürgasen bei der Dichtheitsprüfung eingesetzt werden, sind im Schnüffeltest nicht ausgereizt. Hier ist die Nachweisgrenze durch den Testgasgehalt der Umgebungsluft gegeben. Oder genauer gesagt, durch dessen Konstanz.
Im Idealfall weist die Luft am Prüfplatz die natürliche Konzentration des Testgases auf. Für Helium beträgt diese 5 ppm (1 ppm = 1/1000000 = 0,0001%), für Wasserstoff 0,5 ppm. Da liegt die Vermutung nahe, dass man mit Wasserstoff empfindlicher messen könne, da ein 10fach niedrigeres Untergrundsignal zu erwarten ist.
Wegen der Brennbarkeit von Wasserstoff muss man in der Praxis aber mit Formiergas arbeiten. Das ist ein Gemisch aus Stickstoff mit nur 5% Wasserstoff. Dadurch verliert man einen Faktor 20 an Empfindlichkeit, so dass man mit Helium theoretisch jetzt wieder doppelt so empfindlich messen können sollte.
Ein weiterer Punkt ist die Viskosität des Formiergas. Sie ist etwa 10% niedriger als die von Helium. Dadurch strömt durch ein Leck gegebener Geometrie etwas mehr Formiergas als Helium.
Andererseits erzeugt das in die Helium-Schnüffelsonde einströmende Gas einen Staubsaugereffekt. Je nach Geometrie des Prüfobjektes wird so mehr von dem ausströmenden Testgas ausgewertet, als beim Wasserstoff-Schnüffler. Dieser saugt normalerweise kein Gas an, kann aber optional mit einer Ansaugvorrichtung versehen werden.
Im tatsächlichen Einsatz ist die nachzuweisende Leckage meist um mehrere Zehnerpotenzen größer als die Nachweisgrenze des Lecksuchgeräts. Der sich aus der Betrachtung der Prüfgase theoretisch ergebende Faktor 2 ist damit für die Lecksuchpraxis ohne Bedeutung. Tatsächlich gibt es zahlreiche Faktoren, die das Prüfergebnis nachhaltiger beeinflussen, als die theoretischen Unterschiede zwischen den Prüfgasen:
- undichte Ventile an der Prüfgasflasche
- Leckagen billiger Druckminderer
- wandernde Vordrücke bei niedriger werdendem Flaschenfüllstand
- andere Gasquellen
In der Regel ist die Konstanz des Untergrundsignals der entscheidende Maßstab für die Nachweisgrenze. Ein konstanter Untergrund kann durch die Nullpunktunterdrückung der Lecktestgeräte leicht beseitigt werden, wodurch sich die Nachweisempfindlichkeit steigert. Schwankungen werden dann jedoch in gleichem Maße verstärkt und können zu verwirrenden Anzeigen führen.
Die Praxis sieht doch so aus: im Testalltag wird Testgas in die zu prüfenden Objekte gefüllt und wieder entspannt. Man wechselt die Testgasflaschen. Gelegentlich treten sogar relativ grobe Lecks auf. Dadurch kann es immer wieder zu kleinen Schwankungen des Untergrundsignals kommen. Und Hand auf’s Herz: kaum jemand führt die Lecksuche mit Atemschutz in einer prüfgasfreien, synthetischen Atmosphäre durch.
Als Faustregel kann daher im Schnüffeltest – egal, ob Helium oder Formiergas verwendet wird – von einer Nachweisgrenze im Bereich einiger 10-7 mbar · l · s-1 ausgegangen werden. Niedrigere Angaben sind eher Werbegags als seriöse technische Daten. Mit einem Helium-Kalibrierleck von 1 · 10-7 mbar · l · s-1 Leckrate kann leicht Dichtung von Wahrheit unterschieden werden.
Glossar
Formiergas: Formiergas ist ein Sammelname für reduzierend wirkende Gasgemische aus Stickstoff N2 mit Wasserstoff H2, bei denen durch den Stickstoffanteil die Zündgrenzen im Vergleich zu reinem Wasserstoff stark begrenzt oder ganz ausgeschlossen sind. Formiergas wird als Schutzgas bei der Warmverarbeitung von Metallen eingesetzt, wie Löten, Schweißen (zum Wurzelschutz), Walzen, Pressen und Glühen.
Der enthaltene Wasserstoff wirkt dabei reduzierend auf Metalloxide und verhindert eine Oxidation. Formiergase sind ungiftig, bei einem Wasserstoffanteil > 5,5 % jedoch entzündlich. Daher muss bei einem Wasserstoffanteil > 10% am Formiergasaustritt abgefackelt werden.
Schnüffeltest: Beim Schnüffeltest wird der Prüfgegenstand mit einem Prüfgas befüllt. Das durch Leckagen austretende Prüfgas (z. B. Helium oder Wasserstoff) wird durch eine manuell geführte oder fest installierte Schnüffelsonde nachgewiesen und einem Detektor zugeführt. Die dominierenden Detektor-Typen sind Sektorfeld-Massenspektrometer oder Halbleitersensoren.
Nachweisgrenze: Die Nachweisgrenze bezeichnet den Wert eines Messverfahrens, bis zu dem die Messgröße mit diesem Messverfahren gerade noch zuverlässig nachgewiesen werden kann. Die Zuverlässigkeit des Nachweises wird definiert durch ein statistisch vorgegebenes sogenanntes Konfidenzintervall. Sachverhalte, für welche die Messwerte unter bzw. über der Nachweisgrenze liegen, werden im Sinne der Messtechnik als unmessbar bezeichnet.
In der Praxis bedeutet dies, dass der Anwender selbst entscheiden muss, welchen Unterschied bzw. welchen Quotienten er zwischen dem gemessenen Signal und dem Prüfgasuntergrund noch als ausreichend bestimmt, um eine eindeutige Gut/Schlecht-Aussage bei der Prüfung zu treffen. Ein sehr konservativer Wert ist, wenn das gemessene Leckratesignal um einen Faktor 10 größer ist als die Untergrundleckrate. Ausgefeilte Messtechnik oder der Einsatz einer Nullpunktunterdrückung können auch bei einem schlechteren Signal-zu-Rausch-Verhältnis zuverlässige Gut/Schlecht-Aussage bei der Prüfung zu treffen.
Nullpunktunterdrückung: Über die Nullpunktunterdrückung wird das Anzeigefenster eines Messgeräts auf den Wert NULL gesetzt. Das heißt, dass eine tatsächlich gemessene Untergrund-Leckrate als der Wert NULL angezeigt wird. Der Wert der Untergrundleckrate kann dabei beliebig sein.
Bei der Prüfgaslecksuche wird diese Funktion meist bei sehr hohen Konzentrationen des Prüfgases in der Umgebung eingesetzt. Bei kleinen Leckagesignalen und gleichzeitig hohem Prüfgasuntergrund, also z. B. bei der Schnüffellecksuche oder bei hochempfindlichen Messungen an der Nachweisgrenze der Detektoren wird diese Funktion eingesetzt, um eine zuverlässige Nulldarstellung zu erzielen und die Anzeigeauflösung zu erhöhen.