Allgemein
Das Verfahren der Differenzdruckprüfung
Die Differenzdruckprüfung gibt es in verschiedenen Varianten. Bei den meisten Prüfungen wird jedoch die Messung gegen ein Referenzvolumen verwendet. Diese Methode ermöglicht die genaueste Messung unter den Druckänderungsverfahren, ist aber auch die komplexeste in der Durchführung. Der Prüfling wird mit einem definierten Druck gefüllt. Dieser Druck wird mit dem Druck eines Referenzvolumens verglichen. Das Referenzvolumen ist in den meisten Fällen ein internes Volumen des Prüfgerätes von einigen Millilitern. Erst bei großen zu prüfenden Volumen kommt ein Vergleichskörper zum Einsatz. Das heißt als Referenzvolumen wird ein Prüfkörper angeschlossen, dessen Dichtheit feststeht. Dieses Verfahren ist in der Regel erst ab 5 Liter Prüfvolumen in Betracht zu ziehen. Ein Vergleichskörper kann auch bei Prüflingen mit besonderen Eigenschaften zum Einsatz kommen, beispielsweise wenn sich der Körper elastisch verhält, was bei einigen Kunststoffteilen der Fall ist. Dadurch werden die Einflüsse dieser Sonderfaktoren soweit als möglich ausgeglichen oder im Idealfall ganz eliminiert.
Während der Differenzdruckprüfung werden das Prüfobjekt und das Referenzvolumen langsam auf den gleichen Druck befüllt. Sind beide Volumina auf den definierten Druck befüllt, werden nach einer Ruhephase die beiden mit einem Absperrventil voneinander getrennt. Im Referenzvolumen bleibt jetzt der Druck bestehen, während er im Prüfling bei Leckagen abnimmt. Dieser Druckabfall wird analysiert, indem der Differenzdruck zwischen den beiden Volumina gemessen wird. Voraussetzung bei diesem Verfahren ist die Dichtheit des Messsystems und der Prüfvorrichtung.
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Messung
Die Differenzdruckmessung
Bei der Messung des Differenzdruckes kann unterschiedlich vorgegangen werden. Die einfachste und kostengünstigste Differenzdruckmessung wird mit nur einem Drucksensor durchgeführt. Mit diesem wird der Druck vor Beginn der Messung und nach Abschluss der Messphase bestimmt. Hierbei wird kein Referenzvolumen benötigt, da nur die Veränderung im Prüfkreislauf registriert wird. Dies kann mit Absolut- oder Relativdrucksensoren geschehen.
Eine genauere Variante ist es, den Druck des Prüflings und des Referenzvolumens mittels zwei Drucksensoren in den beiden Kreisen zu messen.
Die aufwändigste aber auch exakteste Messung ist mittels eines Differenzdrucksensors möglich. Dieser ist zwischen den beiden Kreisläufen angeordnet und registriert über beispielsweise eine Membran Veränderungen des Druckgleichgewichts.
Bei der Differenzdruckprüfung kann bei höherem Prüfdruck eine größere Genauigkeit als beim Absolut- /Relativdruckverfahren erreicht werden, da die Auflösung des Messsignals unabhängig von der Höhe des Prüfdruckes ist. Die Messgenauigkeit wird durch den Messbereich des Differenzdruckaufnehmers bestimmt. Zudem wirken Temperatureinflüsse auf beide Seiten des Messsystems, der Einfluss ist somit geringer als bei der Dichtheitsprüfung mittels der Absolutdruckmethode.
Bei der Druckabfallmessung (bzw. Druckanstieg mit Unterdruck) nach der Differenzdruckmethode wird der spätere Betriebszustand im Prüfling simuliert. Die Prüfbedingungen sind so den späteren Betriebsbedingungen ähnlich.
Hauben- oder Glockenmethode
Mit der Druckanstiegsmessung mit Unterdruck können störende Einflüsse auf das zu prüfende Bauteil gering gehalten werden. Prüfvorrichtungen für Unterdruckprüfungen sind im Allgemeinen einfacher und kostengünstiger. Das Werkstück wird unter einer Glocke platziert. Die Glocke wird mit Unterdruck beaufschlagt. Eine Leckage im Werkstück führt dazu, dass Luft austritt und den Druck unter der Glocke erhöht.
Bei der Druckanstiegsmessung mit Überdruck wird das Werkstück in einer geschlossenen Prüfglocke abgedichtet. Das zur Glocke hin abgedichtete Werkstück wird mit Prüfdruck beaufschlagt. Die aus dem Werkstück austretende Leckluft wird in der Prüfglocke gemessen. Bei dieser Methode kann die Ausgleichzeit sehr klein gewählt werden, oft kann sie ganz entfallen. Das Erfassen sehr kleiner Leckagemengen ist möglich.
Der Prüfablauf einer Dichtheitsprüfung mittels der Differenzdruckmessung wird in 4 Phasen unterteilt:
- Füllen
- Ausgleichen
- Messen
- Entlüften
Die ersten 3 Phasen der Differenzdruckmessung im Detail:
1. Füllphase der Differenzdruckprüfung
Das zu prüfende Werkstück und das Referenzvolumen werden mit Druck beaufschlagt. Die Füllphase wird zeit- und/oder druckabhängig beendet. Dabei ist darauf zu achten, dass der Druck in beiden Behältern stets gleich ist, sonst kann der empfindliche Differenzdruckaufnehmer beschädigt werden.
Dafür gelangt bei geöffnetem Füll- und Trennventil der am Druckregler eingestellte Prüfdruck gleichzeitig zum Referenzvolumen, Messumformer und dem Prüfling. Die Füllzeit wird durch die Leistung des Druckreglers, das Gesamtvolumen der Einrichtung einschließlich Prüf- und Referenzvolumen, dem Leitungswiderstand und dem Querschnitt der Ventile bestimmt. Auch die Größe des Fülldruckes hat einen Einfluss.
2. Ausgleichsphase der Differenzdruckprüfung
Zu Beginn der Ausgleichsphase wird das Füllventil geschlossen und das Prüfsystem kann sich stabilisieren. Beim Füllvorgang entstehen Turbulenzen und Temperaturänderungen welche sich beruhigen bzw. ausgleichen müssen.
In dieser Phase erfolgt also ein Druck- und Temperaturausgleich im gesamten Prüfsystem. In den Prüfling einströmende Luft expandiert am Füllventil und kühlt sich dadurch ab. Gleichzeitig wird die Luft im Prüfling komprimiert und dadurch erwärmt.
Mit der Temperatur verändert sich auch der Druck im Prüfsystem. Ideal ist es, wenn bei einem dichten Prüfteil das Dichtheitsprüfgerät den Wert 'Null` anzeigt. Also muss der isotherme Zustand abgewartet werden. Das Erreichen dieses Idealzustandes dauert jedoch oft wesentlich länger als die üblicherweise zur Verfügung stehende Taktzeit in einer Serienfertigung.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Ausgleichsphase zu verkürzen:
Schockfüllung
Der Druck beim Befüllen des Werkstücks liegt etwas über dem Prüfdruck. Mit dem Übergang von der Füll- zur Ausgleichsphase wird der Fülldruck auf den Prüfdruck reduziert. Hierbei kühlt sich die Luft im Prüfteil ab.
Mit versuchsweise Verändern des Fülldrucks kann bei einem als dicht bekannten Teil die Ausgleichsphase schrittweise verkürzt werden bis die Anzeige 'Null` erscheint. Als gewünschter Nebeneffekt kann auch die Füllzeit der Differenzdruckprüfung verkürzt werden.
Referenzvolumen = Prüfvolumen
Auf der Referenzseite eines Differenzdruck-Dichtheitsprüfsystems wird ein dichter Prüfling (ein druckdichtes Originalwerkstück) angeschlossen.
Das Referenzvolumen dient zur Herstellung größtmöglicher Symmetrie zwischen Prüfkreis und Referenzkreis. Hierdurch ist es möglich, die Ausgleichszeit zu reduzieren, da etwaige Störeinflüsse auf beide Kreise des Systems einwirken und somit den Einfluss auf das Messergebnis verringern. Erfahrungswerte zeigen, dass bei Volumen < 5000 ccm auf ein Referenzvolumen üblicherweise verzichtet werden kann.
Trendmessung
Ziel der Dichtheitsprüfung ist nicht eine ‚Null‘-Anzeige für ein dichtes Teil sondern die sichere Unterscheidung zwischen dichten und undichten Teilen. Daher kann die Messphase vorverlegt und damit die Ausgleichszeit verkürzt werden. Die Ausgleichszeit wird dabei soweit verringert, bis der Zustand im Prüfsystem zu Beginn der Messphase nicht mehr reproduzierbar ist. Zum Ende der Messphase wird dann für einen dichten Prüfling ein gewisser Wert angezeigt. Dieser Wert wird als Offset vom zulässigen oberen Grenzwert abgezogen.
Im Einsatz findet meist eine Kombination der einzelnen Methoden Anwendung.
3. Messphase der Differenzdruckprüfung
Nach Ablauf der Ausgleichszeit beginnt der eigentliche Messvorgang. Durch das Schließen des Trennventils werden der Mess- und Referenzzweig voneinander getrennt. Befindet sich im Prüfling ein Leck, so vermindert sich der Druck im Messzweig gegenüber dem Referenzzweig. Dieser Druckabfall wird mit einem Differenzdruckaufnehmer als Abweichung gegenüber der dichten Referenzkammer gemessen.
Das Dichtheitsprüfgerät zeigt die am Messumformer entstehende Druckdifferenz auf der Messwertanzeige an. Übersteigt die Druckdifferenz während der Messphase den voreingestellten Grenzwert, so wird ein Signal UNDICHT ausgegeben und der Prüfvorgang der Differenzdruckmessung beendet.
Dauer der Phasen
Die Dauer der Füll- und Ausgleichsphase wird empirisch ermittelt. Die Dauer der Messzeit kann nach dem Gasgesetz von Boyle Mariotte errechnet werden. Aus den Gleichungen zum Gasgesetz ergibt sich erstaunlicherweise, dass der Prüfdruck keinen Einfluss auf die Höhe der Druckänderung im Prüfvolumen hat. Dies bedeutet, dass die Druckdifferenz in einem Werkstück bei gleicher Leckage immer gleich groß ist, egal mit welchem Prüfdruck gearbeitet wird. Es ist aber zu beachten, dass die Leckrate, welche durch eine gegebene Undichtigkeit entweicht, mit steigendem Druck ebenfalls größer wird.
Vor- und Nachteile
Die Vor- und Nachteile der Differenzdruckmessung
Die Differenzdruckprüfung eignet sich besonders zum Einsatz in der Serienfertigung, denn die Differenzdruckmessung lässt sich bei ausreichender Genauigkeit gut automatisieren und in Dichtheitsprüfanlagen einsetzen. Des Weiteren erfolgt die Prüfung verschmutzungsfrei. Als Prüfmedium dient Druckluft, so dass relativ geringe Betriebskosten entstehen und die Umwelt geschont wird. Durch ihre geringe Viskosität kann sie vorhandene Porositäten bzw. andere Leckstellen ausreichend schnell durchdringen. Das Säubern und Trocknen sowie Korrosionsschutzmaßnahmen der Prüflinge entfallen. Auch die fortlaufende Wartung des Messsystems ist problemlos.
Die Messungen selbst ergeben jedoch keine Aussage über den Ort des Lecks. Somit ist für die Leckortung ein weiteres Verfahren notwendig, es sei denn der Prüfling ist entweder nicht reparabel oder ein relativ geringwertiges Produkt, das als Ausschuss weggeworfen werden kann.
Serienproduktion
Die Differenzdruckprüfung in der Serienproduktion
Bei der automatischen Dichtheitsprüfung von Serienbauteilen hat die Dichtheitsprüfung nach dem Differenzdruckverfahren eine weite Verbreitung gefunden. Die Gründe für den Einsatz der Differenzdruckmessung für die Dichtheitsprüfung sind:
- hohe Prüfsicherheit und Zuverlässigkeit
- objektive und qualifizierte Qualitätsaussage
- kurze Prüfzeiten
- geringe Investitions- und Betriebskosten
- ausreichende Genauigkeit
- schonende Werkstückbehandlung
- einfache Integration in verkettete Produktionsprozesse
- einfache Kalibrierung
Die automatische Dichtheitsprüfung mit der Differenzdruckprüfung von Serienbauteilen wird weiter an Bedeutung zunehmen. Insbesondere im Zusammenhang mit den Anforderungen aus den Bereichen:
- ISO 9000 ff
- Produkthaftung
- Dokumentationspflicht
- Umweltschutz
- Verbraucherschutz
- Arbeitsplatzgestaltung
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