Kurzfassung:

Industrielle Lecksuche ist auch heute noch oft Prüfung im Wasserbad. Neben der notwendigerweise subjektiven Beurteilung ist diese Methode sehr unempfindlich, insbesondere, wenn es um Bauteile mit langer Lebensdauer geht, die eigentlich "absolut" dicht sein sollen. Die Dichtheitsprüfung mit dem Helium-Massenspektrometer steht andererseits im Ruf, zwar sehr empfindlich, aber kompliziert und teuer zu sein. In der Industrie wird sie deshalb oft nur für besonders hochwertige Bauteile oder in Großserien eingesetzt.

Zur Überprüfung von Produktionsanlagen z.B. in der Verfahrenstechnik oder der Chemieproduktion oder bei der Bauteilprüfung von kleineren Serien lohnt sich die Heliumprüfung nur, wenn keine zusätzlichen Aufwände für Pumpsätze oder Vakuumkammern bzw. für eine Spezialausbildung von Personal anfallen. Diesem Bedürfnis kommt eine neue Familie von mobilen Heliumleckdetektoren entgegen, die einerseits die Pumpleistung auch für größere Prüflinge mitbringt und dennoch Heliumströme bis herab zu 10^-12 mbarl/s = 10^-12 cm³/s (nach DIN EN 1518) durch das besondere Signalverarbeitungsverfahren I× CAL nachzuweisen erlaubt. Die niedrige Nachweisgrenze braucht man bei der Anlagenlecksuche (Vakuumöfen, Chemiereaktoren) nicht deshalb, weil solch kleine Leckagen tatsächlich vorkommen, sondern wegen der großen Pumpsätze, die vom eindringenden Leckgasstrom nichts für den Leckdetektor übriglassen.

Mit den modernen Geräten ist die Lecksuche reduziert auf das Wesentliche: anschließen, Helium sprühen und das Display beobachten. Schmutz oder hoher Druck im Prüfling werden weitgehend toleriert. Auch für unerfahrene Benutzer sind Fehlerquellen durch Nullpunktabweichungen, falsche Kalibrierung oder ungünstige Parametereinstellungen weitgehend ausgeschlossen, da die Geräte alle Aufgaben der internen Steuerung und Signalverarbeitung selbständig und unbemerkt erledigen.

Bei der Dokumentation der Ergebnisse hilft die PC-Software "LEAKWARE", die wahlweise alle Messergebnisse an einem Prüfling zusammenfasst oder bei Stückzahlen eine statistische Qualitätsüberwachung erlaubt.

1. Einleitung

Die Heliumdichtheitsprüfung löst zunehmend veraltete Dichtheitsprüfverfahren, wie z.B. das Wasserbad, in der industriellen Praxis ab. Der Grund dafür liegt in der objektiven und quantitativen Aussage, die dieses Verfahren im Unterschied zu Vorgehensweisen mit Sichtprüfungselementen (Blasen!) hat.

Zur Heliumdichtheitsprüfung werden allerdings entsprechende Heliumdetektoren benötigt, die den Industrieanforderungen entsprechend konstruiert sein müssen, d.h. bezüglich Robustheit, Messsicherheit und Bedienungsfreundlichkeit möglichst wenig Wünsche offen lassen. Solche Geräte erfüllen dann auch die Anforderungen an Prüfmittel der DIN ISO 9000 Normreihe über Qualitätsmanagementsysteme. In diesem Vortrag sollen die industriellen Anforderungen an Heliumleckdetektoren am Beispiel eines modernen mobilen Industrieleckdetektors erläutert werden.

2. Vakuumdichtheitsprüfung mit Helium

Die Vakuumdichtheitsprüfung mit Helium umfasst drei grundsätzliche Verfahren, die in der DIN EN 1779 unter den Bezeichnungen A1 (integrale Prüfung), A2 (partielle Prüfung) und A3 (lokale Prüfung) beschrieben sind. In allen Fällen befindet sich im Prüfling Vakuum, so dass das Prüfgas Helium, welches durch eventuelle Lecks eingedrungen ist, aus dem Prüfling in den Leckdetektor zur Messung strömt. Neben diesen drei grundsätzlichen Prüfverfahren muss noch zwischen der Prüfung von Komponenten und Vakuumanlagen unterschieden werden. Bei Komponenten (z.B. Ventile oder andere Bauteile) übernimmt der Heliumleckdetektor alle Aufgaben vom Halten des Prüflings über das Evakuieren, den Heliumnachweis mit Anzeige und die Belüftung zum Schluss. Bei der Anlagenlecksuche (eine Prinzipdarstellung zeigt Bild 1), die in der Industrie ebenso häufig vorkommt wie die Komponentenprüfung, braucht der Leckdetektor nicht soviel Saugvermögen bereitzustellen, da die Anlagenpumpe diese Aufgabe übernimmt, er muss aber erheblich robuster und mobiler sein, um in der direkten Fertigungsumgebung zum Einsatz zu kommen.

Bild 1: Lecksuche an einer Vakuumanlage bei lokaler Prüfung durch Sprühen von Helium auf verdächtige Stellen und Messung mit dem Leckdetektor im Teilstrom zur Anlage.

In beiden Fällen muss ein guter Heliumleckdetektor nicht nur Heliumgasströme quantitativ richtig messen können, sondern dies auch bei Anwesenheit von teilweise erheblichen Wasserdampfmengen und damit hohem Totaldruck. Industrielle Prüfobjekte werden im Unterschied zu Forschungsobjekten im allgemeinen eben nicht so trocken und sauber sein, wie das die "reine Lehre" fordert. Die Anforderungen an Heliumleckdetektoren erhalten deshalb in der Industrie deutlich andere Schwerpunkte und von daher wird das Ergebnis einer Geräteentwicklung deutlich anders ausfallen, als wenn es um ein Gerät für den Forschungseinsatz geht.

3. Kundenanforderungen in Forschung und Industrie

Der Heliumleckdetektor ist grundsätzlich ein komplexes Messgerät, das im Innern ein komplettes Vakuumsystem zum Betrieb eines Massenspektrometers umfasst. Wenn man seine Eigenschaften diskutieren will, hat man es deshalb immer mit einer Kombination von physikalischen und elektronischen Eigenschaften zu tun, die zusammen das Verhalten zum Bedienpersonal hin beschreiben. Man könnte auch modern von einem "mechatronischen" System sprechen.

Für die Forschung, woher der Heliumlecksucher stammt, war es kein Problem, sondern geradezu erwünscht, wenn möglichst viele Parameter an den jeweiligen Einsatzfall manuell angepasst werden konnten. Im Industrieeinsatz ist das zu vermeiden, obwohl weiterhin alle guten Eigenschaften, wie hohe Empfindlichkeit und Schnelligkeit gewünscht sind. Zusätzlich aber soll ein Industriegerät vor allem robust sein, was nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch/elektronisch und bezogen auf die Messergebnisse gemeint ist.

In Bild 2 ist schematisch das Optimierungsdreieck für die drei wesentlichen Eigenschaften eines Leckdetektors gezeigt. Jeder Leckdetektor soll empfindlich, schnell und robust sein, aber die Prioritäten sind in Industrie und Forschung unterschiedlich.

Bild 2: Veränderungen bei den Hauptanforderungen an Leckdetektoren beim Übergang von der Forschungs- in die Industrieanwendung.

In letzter Zeit, d.h. über die letzten 20-30 Jahre, bestimmt zunehmend die industrielle Anwendung worauf es ankommt. Begeistern tut vor allem Schnelligkeit, Robustheit wird schon fast vorausgesetzt und empfindlich waren Heliumleckdetektoren schon immer...

Mit der Empfindlichkeit eines Leckdetektors ist eigentlich seine Nachweisgrenze, d.h. die kleinste nachweisbare Leckrate gemeint. Wie diese definiert ist und was heute der Stand der Technik ist, soll weiter unten diskutiert werden.

Schnelligkeit ist verständlicherweise die Priorität 1 für die Integration in den industriellen Fertigungsprozess. Hier kommt es darauf an, vom Bereitstellen des Prüflings bis zur Ausgabe des Messergebnisses einschließlich einer "Gut/Schlecht" - Entscheidung möglichst wenig Zeit zu verlieren.

Robustheit wird oft selbst mit Industrietauglichkeit gleichgesetzt und bedeutet insbesondere Unempfindlichkeit gegenüber allen Umgebungs- und Umwelteinflüssen, einschließlich elektromagnetischen und anderen künstlich erzeugten Störungen im Industrieumfeld. Man erkennt leicht, das ein von der Nachweisgrenze "empfindliches" Gerät gleichzeitig "unempfindlich" (gegen Störungen) sein soll. In diesem Widerspruch liegt die eigentliche Herausforderung für den Geräteentwickler, ein robustes und dennoch messempfindliches Gerät zu präsentieren.

Zur Umsetzung der Industrieanforderungen gibt es einige wesentliche Elemente, die in Bild 3 dargestellt sind.

Bild 3: Umsetzung der Hauptanforderungen in modernen Heliumleckdetektoren.

Die Zeitdauer eines Prüfvorganges bei der Vakuumlecksuche ist vor allem durch die Zeiten bestimmt, die zur Evakuierung und zum Abpumpen von Prüfgas erforderlich sind, kurz, die Zeiten für den notwendigen Gasaustausch im Gesamtsystem Prüfling/Leckdetektor. Um diese Zeiten kurz zu halten, muss das Saugvermögen am Prüfobjekt so hoch wie möglich sein. Im Widerspruch dazu stehen im allgemeinen die Anforderungen an die Empfindlichkeit und an die Beweglichkeit (Größe und Gewicht) des Gerätes. Erst Lösungen, die beide Aspekte optimal vereinigen, sind wirklich innovativ.

Die Robustheit eines Gerätes äußert sich in der Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse. Im Vordergrund stehen dabei die Störungen des Lecksuchvorgangs als solchem, die vor allem in Schmutz und Feuchte aus dem Prüfobjekt bestehen. Für die Handhabung dieser Prüfbedingung ist ein Gegenstromleckdetektor mit ölgedichteter Drehschieberpumpe prädestiniert, der sowohl mit Partikeln als auch mit dampfförmigen Verschmutzungen optimal umgehen kann. Eine trockene Vorpumpe (z.B. Scroll- oder Membranpumpe) hat unter solchen Bedingungen erhebliche Probleme und kommt daher nicht in Frage.

Um möglichst kleine Lecks zu detektieren, benutzte man früher den Hauptstromleckdetektor, bei dem das Prüfgas direkt ins Hochvakuum und damit ins Massenspektrometer eingelassen wurde. Da man ohne eine Kühlfalle mit flüssigem Stickstoff bei diesem Prinzip nicht auskommt, hat sich in der Industrie der Gegenstromleckdetektor durchgesetzt, der allerdings prinzipbedingt etwas mehr Schwierigkeiten beim Nachweis sehr kleiner Leckraten hat. Hier hilft nur eine intelligente Signalverarbeitung, die Störgrößen, insbesondere Drift und Rauschen, minimiert.

4. Lösungen am Beispiel des UL1000

Zu den bisher beschriebenen Anforderungen sollen nun am Beispiel eines neu entwickelten mobilen Heliumleckdetektors die Lösungen beschrieben werden, die mit modernen Mitteln realisiert wurden.

4.1 Grundlegende Geräteeigenschaften
Der UL1000 ist ein Heliumleckdetektor, der für den mobilen Einsatz in der Industrie entwickelt wurde. Seine Hauptaufgaben findet er bei Wartung und Service an stationären Vakuumanlagen sowie bei der Prüfung von kleineren Serien von Komponenten.

Obwohl das Design des Gerätes ungewöhnlich ist und damit die Blicke auf sich zieht, wurden die funktionalen Aspekte nicht vernachlässigt, sondern sogar kultiviert:

• Für den Serviceeinsatz wurde auf gute Mobilitätseigenschaften Wert gelegt, d.h. ein niedriger Schwerpunkt wurde mit großen Rädern und einem sehr stabilen Griff kombiniert, was eine leichte Manövrierbarkeit bei guter "Straßenlage" ermöglicht. Ein Umkippen des Gerätes ist damit selbst bei "wildester" Fahrweise unmöglich geworden und selbst kleinere Hindernisse, wie z.B. Kabel oder Stufen können leicht überwunden werden
• Für die Bauteilprüfung wie für den Servicetechniker wurde eine Arbeitsfläche zur Werkstück-/Werkzeugablage realisiert.
• Damit auch in einer gestörten Industrieumgebung keine elektrische Einstreuung die Messergebnisse verfälscht, ist das komplette Gehäuse zur Abschirmung aus Metall. Damit wird auch eine große mechanische Haltbarkeit selbst bei rauer Handhabung (Stöße!) erreicht.

Bild 4: Außenansicht des mobilen Industrieleckdetektors UL1000 mit drehbarem Display, großen Rädern und Metallgehäuse.

Die speziellen Eigenschaften zur Verwirklichung der Grundforderungen nach Schnelligkeit, Robustheit und Empfindlichkeit beschreiben die folgenden Abschnitte.

4.2 Schnelligkeit
Wie oben gesagt, muss zur Erzielung von kurzen Rüst- und Reaktionszeiten vor allem ein schneller Gasaustausch mit leistungsfähigen Pumpen und Ventilen realisiert werden. Dabei sind zu unterscheiden:

• schnelles Abpumpen bis zur Messbereitschaft

Die Messbereitschaft ist erreicht, wenn im Prüfling der zulässige Vakuumdruck erreicht ist. Zunächst ist dazu beim so genannten "Vorevakuieren" ein großes Luftsaugvermögen erforderlich, das beim UL1000 durch eine 30m³ Scrollpumpe bzw. 16m³-Drehschieberpumpe realisiert wird. Da beim UL1000 der zulässige Einlassdruck 15 mbar beträgt (so hoch durch eine hoch verdichtende Turbopumpe), dauert es, abhängig vom Prüfvolumen, nur sehr kurze Zeit, bis dieser Druck erreicht wird und die Messbereitschaft hergestellt ist.

• Kurze Ansprechzeit für Heliumsignal

Um während des Messbetriebes auch bei größeren Prüflingsvolumina eine unmittelbare Antwort auf durch ein Leck dringendes Helium zu bekommen, muss der Leckdetektor am Einlass ein großes Heliumsaugvermögen zur Verfügung stellen, und zwar in allen Betriebsarten. Dies wird beim UL1000 durch die große Vorpumpe (im Grobleckbetrieb) und ein Saugvermögen der Hochvakuumpumpe von mehreren Litern pro Sekunde am Messanschluss erreicht.

Ein leistungsfähiger Vorverstärker, der Ströme bis herab zu 10^-15 Ampere mit Zeitkonstanten im Sekundenbereich messen kann, ist die Voraussetzung für eine insgesamt kurze Reaktion auf Lecks.

• Kurze Erholzeit nach Verseuchung

Sobald der UL1000 eine zu hohe Leckrate feststellt, werden alle Ventile geschlossen, um eine Heliumverseuchung zu minimieren.

Falls dennoch während der Prüfung eine größere Menge Helium durch ein Grobleck in den Leckdetektor eindringt, darf dieser nicht für längere Zeit "außer Gefecht" sein. Darüber hinaus darf auch eine erhöhte Heliumkonzentration in der Umgebung ("Verseuchung") keinen Einfluss auf die Messergebnisse haben. Für ein Gerät, das andererseits hochempfindlich kleinste Lecks messen soll, ist das eine nicht leicht zu erfüllende Forderung.

Im UL1000 werden anstelle von O-Ringen Flachdichtungen mit nur 0,3mm Höhe und 7mm Dichtungsbreite eingesetzt, die eine sehr effektive und gleichzeitig sichere und leicht handhabbare Dichtungstechnik ermöglichen. Heliumpermeation bei Umgebungsverseuchung kann sich so nicht auswirken. Dazu tragen auch die speziell qualifizierten Pumpen bei, die eine so hohe Kompression haben, dass Helium nicht rückwärts in das Messsystem eindringen kann.

Bei Verseuchung durch Groblecks kann durch Luftspülung, die teilweise automatisch gesteuert wird, schnell wieder ein unbedenkliches Untergrundsignal erreicht werden, das dann mit modernen Signalverarbeitungsmitteln (gleitendes AutoZero) beherrscht wird.

4.3 Robustheit
Zur Robustheit wurde weiter oben schon einiges zu den Grundeigenschaften des UL100 gesagt. Über die genannten Eigenschaften hinaus ist es wesentlich, dass alle Komponenten dauerbetriebsfest für viele tausend Betriebsstunden sind (ein Auto hält im Durchschnitt nur 4000-5000 Betriebsstunden!). Selbst bei Fehlbedienungen, wovon die schlimmste einen Lufteinbruch in das Vakuum bedeuten kann, entsteht kein Schaden, sondern das Gerät fährt selbstständig wieder in den Bereitschaftszustand. Dies wird ermöglicht, weil selbst sensible Komponenten robust genug ausgelegt sind. So halten z.B. die Glühkatoden aus Iridium Luftsauerstoff selbst bei ihrer Betriebstemperatur von ca. 1700^°C aus und der mit ca. 50.000 U/min drehende Rotor der Turbopumpe übersteht viele hundertmal schlagartige Belüftungen.

Wenn es um Schmutz geht, so stellt die Industrie die höchsten Anforderungen im Hinblick auf Partikel und dampfförmige Verunreinigungen. Der UL1000 stellt sicher, dass keine Partikel in das Hochvakuum gelangen, da er zunächst immer über eine Umwegleitung pumpt. Das Einlassventil in dieser Leitung ist besonders zugänglich und leicht zu reinigen. Bei Parallelbetrieb mit einem anderen Pumpsystem schaltet der UL1000 erst bei 0,1 mbar zu, wodurch ebenfalls sicher verhindert wird, dass Schmutz ins System gelangt.

4.4 Messeigenschaften (Empfindlichkeit)
Obwohl die Frage nach der Empfindlichkeit eines Leckdetektors immer wieder zuerst gestellt wird, möchte ich diesen Abschnitt mit dem Begriff "Messeigenschaften" überschreiben. Wie wir sehen werden, ist die Güte eines industriellen Messgerätes nicht nur durch seine Nachweisgrenze, sondern auch durch die Messsicherheit gegeben. Dieser Begriff ist nicht genormt, soll aber bedeuten, dass selbst der ungeübte Benutzer sich auf die angezeigten Ergebnisse verlassen kann.

4.4.1 Nachweissystem (Massenspektrometer)
Die oberste Tugend eines Messgerätes ist seine Stabilität, die sich aus Drift und Rauschen des Ausgangssignals zusammensetzt. Wie diese beiden Größen mit der Nachweisgrenze zusammenhängen, kann man in DIN EN 1518 nachlesen. Im Prinzip ist die Nachweisgrenze eine Summe aus dem Rauschen und der Signaldrift pro Minute unter Einhaltung bestimmter Regeln bei Messung und Auswertung.

Eine zweite wichtige Eigenschaft, die nur das innere Nachweissystem mitbringen kann, ist eine hohe Signalempfindlichkeit (hier der Ionenquelle im Massenspektrometer). Diese gibt an, wie viel Ausgangsstrom (in Ampere) von welchem Prüfgaspartialdruck (in mbar) erzeugt wird. Diese Empfindlichkeit sollte bis zu möglichst hohen Vakuumdrücken druckunabhängig sein, wenn man von einer guten Ionenquelle spricht.

Mit dem Nachweissystem des UL1000 lassen sich noch Ionenströme im 10^-15 A-Bereich sicher nachweisen und die Ionenquelle hat ihre Empfindlichkeit im Bereich von einigen 10^-3 A/mbar bei Totaldrücken bis zu einigen 10^-4 mbar.

4.4.2 Digitale Signalverarbeitung
Auf der Basis dieses sehr leistungsfähigen Nachweissystems arbeitet im UL1000 eine innovative digitale Signalverarbeitung, die unter dem Markennamen I·CAL firmiert. Mit dieser geräteinternen Signalverarbeitung wird zum ersten Mal in einem Gegenstromleckdetektor eine Nachweisgrenze von 5´10^-12 mbarl/s erreicht. Ermöglicht wird dies durch eine intelligente Mittelungsfunktion und ein flexibles Autozero.

Zur Veranschaulichung kann die Umrechnung von 1´10^-12 mbarl/s in Volumeneinheiten dienen:
Eine Gasmenge von 1 mbar ´ Liter entspricht 1 bar ´ cm³ = 1 Ncm³
(1Ncm³ ist ein Normkubikzentimeter=ein Kubikzentimeter, gefüllt mit Gas bei Normaldruck). Eine Leckrate von 10^-12 mbarl/s entspricht also 10^-12 Normcm³/s
= 0,03 Nmm³/Jahr
= 1 mm³/30 Jahre
oder einem Tröpfchen in 30 Jahren!

Um solch kleine Leckraten auch noch in sehr großen Volumina ohne lange Pumpzeiten nachweisen zu können, die große Mengen störenden Wasserdampf von den Wänden ins Vakuum abgeben, sind weitere Maßnahmen erforderlich. Eine patentierte Unterdrückung der von desorbierendem Wasserdampf erzeugten Wasserstoffstörsignale ist in Vorbereitung. Damit werden sich die Abpumpzeiten bei großen und feuchten Prüflingsvolumina drastisch verkürzen lassen.

4.4.3 Bedieneigenschaften
Für die Industrie spielen die Bedieneigenschaften eines Gerätesein große Rolle, da unterschiedlichstes Personal mit den Geräten sicher arbeiten soll. Neben den oben genannten Schutz- und Signalverarbeitungsfunktionen trägt die Bedieneinheit mit Dispaly und Tastatur die Hauptverantwortung für gute oder schlechte Bedieneigenschaften.

Der UL1000 nutzt als Bedienoberfläche das bewährte Konzept eines Geldautomaten, bei dem mit wenigen Tasten durch das Konzept der "Softkeys" ein Maximum an Funktionen bei gleichzeitig übersichtlicher Bedienung erreicht wird. Die Realisierung zeigt Bild 5. In dem grafischen Display ist eine Vielfalt an Messwertdarstellungen möglich, wobei eine Besonderheit des UL1000 die integrierte Schreiberdarstellung der Leckrate über der Zeit ist. Lineare oder logarithmische Skalierung mit unterschiedlichen Bereichsgrenzen sind jederzeit einfach möglich.

Bild 5a: Bedieneinheit mit Oberfläche orientiert an Geldautomaten und weithin sichtbarer digitaler Zahlen- und analoger Balkenanzeige.

Bild 5b: Display mit Schreibernachbildung zur unmittelbaren Darstellung von Leckratenverläufen über der Zeit.

Zum ersten Mal bei einem Leckdetektor realisiert wurde ein Softwareupdate der Gerätefirmware. Damit ist es jetzt möglich, den Kunden an allen Verbesserungen des Gerätes, die heute überwiegend Softwareverbesserungen sind, teilhaben zu lassen. Außer einem PC mit Internetanschluss und einer Schnittstellenverbindung zum Leckdetektor ist nichts weiter erforderlich. Zur Vorbereitung des Software-Updates lädt sich der Kunde aus dem Internet eine Installationssoftware (so genannte "Run-Time-Engine") herunter und installiert diese auf seinem PC.

Die neue Software für seinen Leckdetektor wird ihm per E-mail zugeschickt. Durch einfaches Starten der Installationssoftware wird zunächst die Schnittstellenverbindung zum Leckdetektor überprüft und danach die neue Software direkt zur CPU des Leckdetektors übertragen. In ca. 4 Minuten steht dem Benutzer ein "neuer" Leckdetektor zur Verfügung.

4.5 Prozesskontrollsoftware LEAKWARE
Wenn der Leckdetektor zur Prozesskontrolle in der Serienfertigung eingesetzt wird, ist eine statistische Darstellung und Auswertung der gewonnenen Messdaten erforderlich. Die Prozesskontrollsoftware "LEAKWARE" ermöglicht die Speicherung aller Messdaten mit Zusatzinformationen und eine statistische Grundauswertung in Zeitreihen und Histogrammen. Bild 6 zeigt ein Beispiel für mögliche Resultate.

Bild 6a: Startbildschirm der PC-Software "LEAKWARE".

Bild 6b: Prozesskontrollbildschirm mit statistischer Auswertung von gemessenen Leckraten (Zeitreihe und Histogramm).

5.Zusammenfassung

Mit der UL1000 Heliumleckdetektorfamilie wurden die Industrieanforderungen Schnelligkeit, Robustheit und Empfindlichkeit durch innovative Signalverarbeitungstechniken und neuartige Bedieneigenschaften in optimaler Weise realisiert. Damit unterscheiden sich diese Leckdetektoren signifikant von herkömmlichen Geräten, die hauptsächlich mit Blick auf die Forschung konzipiert wurden.