DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Wasserstoff als Prüfgas zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung - Eignung, Nachweis und vergleichende Betrachtung zu anderen Prüfgasen wie z. B. Helium

Autor: Dipl.-Ing. Matthias Block, Sensistor Technologies GmbH, Mühlheim am Main
Kontakt: Dipl.-Ing. Matthias Block

Zusammenfassung

Bei näherer Betrachtung eignet sich Wasserstoff sehr gut als Prüfgas zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung. In der Regel wird allerdings kein reiner Wasserstoff sondern ein unbrennbares Standardgemisch aus 95% Stickstoff und 5% Wasserstoff (Formiergas 95/5) verwendet. Dieses Gemisch ist preiswerter als andere Prüfgase und wird in der Industrie schon seit langem als Schutzgas eingesetzt. Wasserstoff besitzt eine geringe Viskosität und breitet sich schnell aus. Probleme durch eine "Verseuchung" der Umgebung mit dem Prüfgas treten nicht auf oder sind mit geringem Aufwand schnell zu beseitigen.

Wasserstoff wird über eine geeignete Sensortechnologie selektiv nachgewiesen. Dadurch sind die Lecksuchgeräte robust, handlich und für mobile Anwendungen geeignet. Gleichzeitig besteht keine Querempfindlichkeit zu anderen Gasen. Die Geräte lassen sich über zertifizierte Testlecks oder über ein Kalibriergas vom Anwender leicht selbst kalibrieren und eignen sich daher gut für den Einsatz im industriellen Umfeld. Die Nachweisgrenze wird, wie auch bei anderen Verfahren, durch die Konzentration des Prüfgases in der Umgebung bestimmt. Der natürliche Wasserstoffhintergrund in der Umgebungsluft beträgt 0,5 ppm. Damit lassen sich bei Verwendung des 95/5 Prüfgasgemischs Leckageraten bis zu 5x10-7 mbarl/s nachweisen. Vom TÜV Süddeutschland durchgeführte Vergleichsmessungen haben gezeigt, dass die Ergebnisse mit den auf der Basis von Helium und Massenspektrometern ermittelten Messwerten identisch sind.

Die Wasserstoff-Methode ist im Laufe der Jahre immer mehr zum Standard in verschiedensten Industriebereichen geworden. Auch im Umfeld der zerstörungsfreien Prüfung werden vermehrt Anwendungen realisiert. Es werden Beispiele aus dem Bereich der Behälterprüfung vorgestellt.

Wasserstoff als Prüfgas

Wasserstoff besitzt einige Eigenschaften, die ihn als Prüfgas auszeichnen. Er hat eine geringe Viskosität und die Hintergrundkonzentration in der Umgebungsluft ist sehr gering.


Wasserstoff Helium Luft
Dynamische Viskosität 8,7 µPas 19,4 µPas 18,3 µPas
Hintergrundkonzentration 0,5 ppm 5 ppm 100 %
Molmasse 2 g/mol 4 g/mol 29 g/mol
Physikalische Daten von Wasserstoff und Helium im Vergleich mit Luft.

Die durch ein Leck pro Zeiteinheit austretende Prüfgasmenge hängt unter Annahme einer laminaren Strömung (in der Regel bei Leckageraten bis zu 10-5 mbarl/s) von der dynamischen Viskosität ab. Die Hintergrundkonzentration eines Prüfgases in der Umgebungsluft beeinflusst die Nachweisgrenze.

Zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung wird üblicherweise ein Standardgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff (Formiergas) in der Zusammensetzung von 5% Wasserstoff (H2) und 95% Stickstoff (N2) verwendet. Dieses Gemisch wird in internationalen Normen (ISO 10156) als nicht brennbar klassifiziert. Damit bestehen beim Einsatz dieses Gasgemisches keine Sicherheitsrisiken. Das Gemisch wird hauptsächlich als Schutzgas bei Schweiß- und Lötprozessen verwendet. Es ist bei Lieferanten von technischen Gasen in der Regel ab Lager in 200 bar bzw. 300 bar Druckgasflaschen verfügbar und kostet nur einen Bruchteil von Helium. Gerade in letzter Zeit ist der Preis von Helium wegen der erhöhten Nachfrage deutlich gestiegen. Da die weltweiten Heliumvorräte begrenzt sind, ist hier von einem weiteren Anstieg des Preises auszugehen. Wasserstoff hingegen wird wegen seiner zunehmenden Verwendung als Energieträger immer preiswerter angeboten. Wasserstoff ist im Gegensatz zu Helium eine erneuerbare Ressource, was besonders im Hinblick auf ein Umweltaudit nach ISO 14001 von Interesse ist.Die Unterschiede in den physikalischen Daten zwischen Helium und Wasserstoff führen auch zu einigen Unterschieden und Vorteilen im praktischen Einsatz. Wasserstoff breitet sich deutlich schneller als Helium aus. Dieser Effekt trägt dazu bei, dass bereits nach kurzer Zeit im Inneren eines Prüfteils eine gleichmäßige Konzentration erreicht ist. In der Regel muss das Prüfteil dazu vorab nicht evakuiert werden. Probleme, die durch eine erhöhte Hintergrundkonzentration ("Verseuchung") entstehen, sind bei Wasserstoff sehr viel geringer. Zudem haftet Wasserstoff nicht an Oberflächen und lässt sich deutlich schneller auslüften. Wasserstoff ist als Verpackungsgas für Lebensmittel zugelassen und gilt als nicht korrosiv.Zusammenfassend kann man Wasserstoff als das ideale Prüfgas bezeichnen.

Wasserstoff-Lecksuchgerät

Wir haben gesehen, warum Wasserstoff als Prüfgas sehr gut geeignet ist. Für die Lecksuche und Dichtheitsprüfung mit Wasserstoff ist aber auch ein Lecksuchgerät mit entsprechendem Messbereich und hoher Selektivität notwendig.
Das hier vorgestellte Lecksuchgerät basiert auf einem Halbleitersensor, der ähnlich einem Feldeffekttransistor aufgebaut ist. An der Oberfläche des Sensorelements lagern sich Wasserstoffmoleküle an, die dort zu Wasserstoffionen (Protonen) dissoziieren. Diese können durch die Gitterstruktur des Sensorelements hindurchtreten und verursachen damit eine Änderung eines elektrischen Felds. Das dadurch entstehende elektrische Signal wird über eine geeignete Signalverarbeitungskette aufbereitet und am Lecksuchgerät angezeigt. Das Sensorelement spricht selektiv auf Wasserstoff an, die Nachweisgrenze wird durch die natürliche Wasserstoff-Hintergundkonzentration in Luft (0,5 ppm) festgelegt. Zur Messung wird das in die Messkopfspitze integrierte Sensorelement direkt an das Leck gebracht. Es sind daher keine Pumpen erforderlich, um das Gas in das Gerät einzusaugen. Das Sensorelement ist mit dem Lecksuchgerät nur über ein Kabel verbunden. Deshalb sind auch keine Filter und andere wartungsintensive Komponenten notwendig.

Ein weiterer positiver Effekt der direkten Messung ist eine unabhängig von der Kabellänge sehr kurze Ansprechzeit und eine ebenfalls kurze Erholdauer. Zur Anpassung an unterschiedliche Leckageraten wird die Empfindlichkeit durch einfachen Tastendruck schrittweise über einen Bereich von mehreren Dekaden an die aktuelle Messaufgabe angepasst.

Die Geräte sind robust aufgebaut und einfach zu bedienen. Damit eignen sie sich besonders für den Einsatz in industrieller Umgebung. Die Kalibrierung kann vom Bediener über ein Testleck oder über ein Kalibriergas schnell und einfach selbst durchgeführt werden. Bei jedem Kalibriervorgang wird der aktuelle Status des Sensorelements angezeigt. In einer akkubetriebenen Variante ist der netzunabhängige Einsatz über mehrere Stunden möglich.

Verfahren

Lokalisierung

Diese Art der Messung wird häufig auch als Schnüffelprüfung bezeichnet. Im genauen Sinn trifft dies hier nicht zu, da zur Messung kein Prüfgas angesaugt werden muss. Bei der Verwendung von Formiergas 95/5 liegt die Nachweisgrenze bei einer Leckagerate von 5x10-7 mbarl/s. Im Bereich der Wasserstofftechnologie wird - bei entsprechenden Sicherheitseinrichtungen - teilweise auch mit höheren Konzentrationen bis hin zu reinem Wasserstoff gearbeitet. Die Nachweisgrenze verschiebt sich dadurch entsprechend der Konzentration hin zu kleineren Leckageraten.

Integrale Prüfung

Wie bei der Lokalisierung wird das Prüfteil mit dem Prüfgas befüllt. In einem um das Prüfteil geschaffenen Kontrollvolumen wird der Anstieg der Wasserstoffkonzentration gemessen. Die Messdauer hängt von der zulässigen Grenzleckagerate und der Größe des Kontrollvolumens ab. Als Kontrollvolumen dient je nach Anwendung eine flexible Hülle oder eine feste Kammer.


Fig 1: Prinzip der Lokalisierung und der integralen Prüfung mit Prüfgas

Beispiele

Im Folgenden wird sowohl die Lokalisierung als auch die integrale Prüfung anhand von Beispielen dargestellt. Die Lokalisierung wird an Schweißnähten eines Nutzfahrzeug Dieseltanks gezeigt. Dazu wird das Sensorelement des Lecksuchgeräts mittels eines Gleitschuhs über die Schweißnaht geführt. Als Ergebnis erhält man hierbei sowohl den Ort einer Leckage als auch eine Aussage über deren Größe.


Fig 2:
Beispiel Lokalisierung an einem Nutzfahrzeug Dieseltank

Fig 3:
Beispiel: Integrale Prüfung an einem PKW Servoölbehälter

Die integrale Prüfung wird am Beispiel eines kleinen Behälters für PKW Servoöl dargestellt. Der Behälter wird zur Prüfung in eine Prüfkammer unter atmosphärischem Druck gelegt. Aus dem Anstieg der Wasserstoffkonzentration in der Prüfkammer wird die Leckagerate ermittelt und über das Lecksuchgerät ausgegeben.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net