DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Ein neuartiger Kältemittel-Detektor zur Dichtheitsprüfung in der Kälte- und Klimatechnik

Thomas Böhm,
INFICON GmbH,
Köln
Kontakt: T. Böhm

Die Anforderungen an die Qualitätsstandards von Kälte erzeugenden Maschinen steigen kontinuierlich. Neue Kältemittel werden kontinuierlich entwickelt und kommen in zahlreichen Produkten weltweit zum Einsatz. Während der Dichtheitsprüfung mit heute üblichen Halogen-Leckdetektoren treten häufig Fehlalarme auf, die die Lecksuche maßgeblich behindern; darüber hinaus altern die Sensoren schnell, so dass hohe Wartungskosten entstehen und die Verfügbarkeit eingeschränkt ist. Unter Verwendung eines neuen Sensorprinzips wurde ein handliches Gerät entwickelt, das die beschriebenen Nachteile beseitigt und darüber hinaus auf die heutigen Bedürfnisse der Produktionslinien ausgerichtet ist.

  • Kältemittel-Detektor
  • schneller Nachweis kleinster Leckagen
  • Infrarotabsorption
  • pyroelektrischer Sensor

Die Anforderungen an die Qualitätsstandards von Kältemaschinen steigen kontinuierlich. Neue, umweltfreundliche Kältemittel werden kontinuierlich entwickelt und kommen in zahlreichen Produkten weltweit zum Einsatz. Durch das europaweite Verbot von FCKW-Verwendungen zum Schutz der Ozonschicht haben sich seit Anfang der neunziger Jahre die teilhalogenierten Kohlenwasserstoffe H-FCKW und H-FKW als Ersatztreibgase etabliert. Diese Treibgase besitzen zwar nur noch ein geringes Ozonschädigungspotential, aber nach wie vor ein 100- bis 5.000faches Treibhauspotential gegenüber CO2.

Zudem müssen die Hersteller die hermetische Dichtigkeit des gesamten Kältekreislaufes und seiner Komponenten über viele Jahre gewährleisten.

Abb 1: Übersicht verschiedener Kältemittel.

Typische Dichtigkeitsanforderungen für komplette Kältesysteme liegen heute im Bereich einiger weniger Gramm Kältemittelverlust pro Jahr. Die Dichtigkeitsanforderungen an die einzelnen Komponenten des Systems und deren Verbindungen sind entsprechend anspruchsvoller. In der Zulieferindustrie hat sich mittlerweile die Prüfgasmethode durchgesetzt, wobei üblicherweise das Prüfgas Helium nachgewiesen wird.

In der Endprüfung von Kältemaschinen ist Helium als Prüfgas aber nicht geeignet, da zum Zeitpunkt der Endprüfung der Kühlkreislauf bereits mit Kältemittel gefüllt ist. Die Prüfaufgabe besteht also darin, die Dichtigkeit der Verbindungsstellen der einzelnen Komponenten und Baugruppen mit einem Prüfgerät zu ermitteln, das direkt das jeweilige Kältemittel mit ausreichend geringer Nachweisgrenze detektieren kann.

Der neuartige Kältemittel-Detektor HLD5000 wird vornehmlich zur Dichtheitsprüfung in folgenden Appliaktionen eingesetzt:

Abb 2: Kältemittel-Detektor HLD5000.
  • Klimaanlagen in Automobilen
  • Klimaanlagen für Gebäude
  • Kühl- und Gefrierschränke
  • Kühlanlagen

Die heute am Markt erhältlichen Geräte basieren auf Prinzipien, bei denen das nachzuweisende Kältemittel in einem beheizten Sensor eine chemischen Reaktion verursacht, die einen messbaren elektrischen Strom erzeugt, oder Prinzipien, bei denen Kältemittel zeitweise Sauerstoffmoleküle aus einer Keramikoberfläche herauslösen, was eine messbare änderung des elektrischen Widerstandes verursacht.

Diese Methoden haben aber deutliche Nachteile, die sich im Produktionsalltag als sehr störend erweisen:

  • Aufgrund der geringen Selektivität der Methoden werden alle möglichen Gase und Dämpfe, die in einer industriellen Umgebung vorhanden sein können (z.B. Wasserdampf, Lösungsmittel oder Kältemittel) als Leckage angezeigt. Dadurch gestaltet sich die eindeutige Identifizierung und Quantifizierung einer echten Leckage oft als schwierig. Dieser Effekt ist umso ärger, wenn die Prüfarbeitsplätze hinsichtlich der Lecksuche nicht optimiert sind. Beispielsweise können sich Kältemittel-Füllstationen, die im Betrieb gewisse Mengen von Kältemitteln in die Umgebungsluft freisetzen, in der Nähe der Prüfplätze befinden.
  • Der chemische Sensor verbraucht sich, was zu hohen Unterhaltskosten führt.
  • Die Erholungszeiten bis zum Abklingen chemischer Reaktionen strapazieren die Geduld des Bedieners.
  • Es können nur einige bestimmte Kältemittel detektiert werden, die -langfristig gesehen- durch umweltfreundlichere Kältemittel abgelöst werden.

Diese Nachteile konnten bei dem im HLD5000 verwendeten Sensorprinzip ausgeräumt werden. Hierbei wird das nachzuweisende Kältemittel infrarotem Licht ausgesetzt. Kältemittel haben die Eigenschaft -je nach Zusammensetzung- bestimmte Frequenzanteile des IR-Lichtes zu absorbieren.

Damit Gase selektiv nachgewiesen werden können, ist dem verwendeten IR-Sensor ein Filter vorgeschaltet, der auf die jeweils typische Absorptionslinie des Kältemittels abgestimmt ist. Die Ausführung des Kältemittel-Detektors, der R134a nachweisen soll, ist dementsprechend mit einem 7.7 µ-Interferenzfilter ausgestattet, während die R22-Variante ein 9 µ-Filter besitzt.

Das zu messende Gas durchströmt eine Küvette, an deren Enden sich eine Infrarotquelle und ein pyrolektrischer Sensor befindet. Dem pyroelektrischen Sensor ist ein schmalbandiger Infrarotfilter vorgeschaltet. Um sowohl den Sensor als auch die Infrarotquelle vor Verschmutzungen zu schützen, befinden sich an den Küvettenenden jeweils CaF2-Fenster.

Abb 3: Absorptionsspektrum von R134a und R22.

Die Wirkungsweise dieser Sensoren beruht darauf, daß Infrarotstrahlung, die moduliert wird, über eine Absorptionsbeschichtung den Kristall erwärmt. Durch diese Temperaturänderung werden in bestimmten Materialien (z.B. LiTaO3) elektrische Ladungen freigesetzt; indem die Infrarotstrahlung moduliert wird, führt diese Erwärmung zu einem elektrischen Wechselspannungssignal. Derartige pyrolektrische Sensoren werden u.a. auch in Bewegungsmeldern eingesetzt.

Die von der IR-Quelle ausgehende, diffuse Strahlung gelangt nur zu einem geringen Anteil direkt zum Sensor; mehr als 90 % der Strahlung wird an der Oberfläche der Küvette mehrfach reflektiert bevor sie vom Sensor detektiert wird. Durch diese Anordnung konnte auf eine Optik komplett verzichtet werden. Eine Beschichtung der Oberfläche der Küvette, die mittels Stranggußverfahren aus Aluminium hergestellt wird, mit Gold o.ä, ist nicht nötig.

Abb 4: Küvette mit Sensor und IR-Quelle.

Beim HLD5000 wurde allerdings nicht, wie in der Infrarotmeßtechnik allgemein üblich, die Infrarotstrahlung moduliert, sondern die Gaszusammensetzung.

Ein 3/2-Wege-Ventil läßt wechselweise mehrmals pro Sekunde Umgebungsluft ("Referenzgas") als auch Gas, das aus einem eventuell vorhandenen Leck austritt, in die Küvette ein.

Abb 5: Prinzipschaltbild des HLD5000.

Durch die quasi permanente Vergleichsmessung werden Fehlanzeigen kompensiert, die normalerweise durch den natürlichen Wasserdampfgehalt der Umgebungsluft verursacht werden.

Zudem sind hohe Frigenkonzentrationen in den Produktionsstätten von Kühl- und Klimaanlagen nicht selten; diese werden durch ausgasende Isolierschäume und von Befüllstationen hervorgerufen. Auch diese Gase führen aufgrund des quasi parallelen Einlasses über den Referenz- und den Testgaseinlaß zu keiner fehlerhaften Leckratenanzeige.

Die Gasmodulation dient gleichzeitig dazu, daß die für pyroelektrische Sensoren typische Drift, die durch Temperaturänderungen der Umgebung verursacht wird, kompensiert wird. Da bei dieser neuartigen Anordnung der Gasstrom und nicht die Infrarotquelle moduliert wird, konnte eine "träge" Infrarotquelle mit einer größeren Leistung eingesetzt werden.

Abb 6: Absorptionsspektrum von Wasserdampf und R134a

Der Gaseinlaß an der Schnüffelspitze wurden so gestaltet, daß die Referenzgasöffnung sich so dicht wie möglich am Testgaseinlaß befindet, da die Konzentrationen störender Gas nicht konstant sind, sondern selbst über kleine Distanzen Gradienten aufweisen. Andererseits dürfen die beiden öffnung nicht so dicht beieinander liegen, daß das Testgas aus dem Leck sowohl durch den Testgas- als auch den Referenzgaseinlaß zum Sensor gelangt.

Die folgende Darstellung zeigt den Aufbau des Handgriffs der die gesamte Sensorik und damit quasi die Intelligenz des HLD5000 enthält.

Abb 7: Schnüffelspitze mit Testgas- und Referenzgaseinlaß.

Über die Leitung zwischen Gerät und Griff werden nicht nur die bereits digitalisierten Meßwerte gesendet, sondern sie dient auch zur Verbindung der im Betriebsgerät befindlichen Gasförderpumpe und mit dem Gaseinlaß, über den das Leckagegas zum Nachweis in die Küvette gelangt.

Das Betriebsgerät enthält neben der Mikroprozessorplatine, Display, Netzteil und Gasförderpumpe zusätzlich ein Testleck, das mit R134a gefüllt ist. Dieses Testleck befindet sich am Boden des Geräts und kann dort ähnlich einfach wie eine Batterie ausgetauscht werden. Der Kalibriervorgang wird über eine Lichtschranke automatisch ausgelöst, sobald die Spitze des Handgriffs in die Testlecköffnung an der Gehäusefront gesteckt wird.

Abb 8: Handgriff

Da das Testleck mit R134a in flüssiger Phase gefüllt ist, konnte eine geringe Baugröße realisiert werden. Das Gas diffundiert durch eine Membran permanent nach außen. Da das Diffusionsverhalten der Membran und damit die austretende Gasmenge exponentiell von der Temperatur abhängt, wird dieser Einfluß mittels Software kompensiert. Zu diesem Zweck befindet sich am Boden des Testleckreservoirs ein Temperatursensor. Die Leckrate des Testlecks wird vor Auslieferung bestimmt und in einem Werksprüfzeugnis dokumentiert; dadurch sind Messungen mit dem HLD5000 rückführbar auf nationale Standards und das Gerät erfüllt die Anforderungen als Prüfmittel nach DIN/ISO 9001.

Gegenüber den herkömmlichen Methoden sind die Unterhaltskosten dieses neuen Kältemitteldetektor deutlich geringer, während der tägliche Umgang im Produktionsalltag deutlich vereinfacht wird. Die verschiedenen Varianten des HLD5000 können folgende Gasarten nachweisen:

Abb 9: Bodenansicht des Geräts mit Testleck.

R134a, R404A, R407C, R410A und R22
weitere Varianten sind in Vorbereitung.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net