Eigenschaften von Spürgasen

Gas

Name
Wasserstoff
Helium
Luft
molare Masse

g/mol
2,016
4,003
28,89
Viskosität

μPa s
8,9
19,8
18,36
Thermische
Geschw.
m/s
1770
1256
467
mittlere freie
Weglänge
μm
198
126
68,5
Wärmeleit-
fähigkeit
W/m K
0,149
0,183
0,0275

Die Lecksuche mit Spürgasen (engl. Tracer Gases) sind die empfindlichsten Nachweisverfahren. Mit Helium als Spürgas kann man unter extrem sauberen Laborbedingungen noch Leckageraten im 10-12 mbar l/s Bereich nachweisen. Das entspricht einem Gasverlust von ca. 1 Kubikzentimeter in 30 000 Jahren.


Die Methode mit dem Spürgas Helium und dem Nachweis mit einem Massenspektrometer wurde in den USA um das Jahr 1945 entwickelt. Eine der ersten Veröffentlichungen stammt von Nier (1947, siehe unter Literaturangaben).


Bevor es die Helium-Lecksuche gab, war die empfindlichste Lecksuchmethode die Halogen-Lecksuche. Als Spürgas wurde R-12 (Freon bzw. Frigen) verwendet und unter besten Bedingungen war eine Leckrate von 10-8 mbar l/s nachweisbar. Diese Methode wird kaum noch angewandt, da umweltschädliche Fluor- chlorkohlenwasserstoffe als Spürgade verwendet werden. Deshalb wird hier auf die Beschreibung dieser Testmethode verzichtet. In Kälteanlagen werden heute Ersatzgase benutzt. Für Lecksuche an solchen Anlagen gibt es Massenspektrometer-Lecksuchgeräte für schwerere Gase als Helium oder Wasserstoff.


Darüber hinaus gibt es noch ein Lecksuchverfahren mit Ammoniak, bei dem das Prüfobjekt mit diesem Gas gefüllt und außen mit nassem Lackmuspapier beklebt wird. Eine Farbänderung an dem Papier zeigt die Stelle der Leckage. Das letzte erwähnte Verfahren ist das der Wärmeleitungsmessung: das Prüfobjekt wird mit dem Spürgas gefüllt wobei man ein Gas bevorzugen sollte, das sich in der Wärmeleitung von der Luft- Wärmeleitung deutlich unterscheidet. Die größten Unterschiede zur Luft haben die Gase Wasserstoff und Helium. Mit einem speziellen Schnüffelgerät, bestückt mit einem Wärmeleitungs-Sensor wird nach dem Ort der Leckage gesucht. Grundsätzlich sollte man ein Gas bevorzugen, das sich in der Wärmeleitung von der Luft- Wärmeleitung deutlich unterscheidet. Die größten Unterschiede zur Luft haben die Gase Wasserstoff und Helium.

Leckortungsverfahren

1.) Lecksuche von außen nach innen:

Das Prüfobjekt wird über das Lecksuchgerät evakuiert. Von außen wird es mit einem schwachen Heliumstrahl aus einer Sprühpistole abgesprüht. Gelangt Helium über eine Leckage in das Vakuum im Prüfobjekt, wird dieses vom Massenspektrometer erfasst und empfindlich angezeigt. Indem man die Sprühpistole langsam über das Prüfobjekt bewegt, findet man den Punkt mit der größten Anzeige am Lecksuchgerät.


Bei dieser Prüfmethode muss die Ansprechzeit im Sekundenbereich liegen. Je länger die Ansprechzeit, um so langsamer muss die Sprühpistole bewegt werden. Hat man die Leckage geortet und verweilt nun mit dem Sprühstrahl über der Leckage, kann die Größe der Leckage vom Lecksuchgerät angezeigt werden. Das setzt eine 100%ige Einströmung von Helium durch die Leckage und ein mit einem Referenzleck kalibrierten Lecksuchgerät voraus.


Diese Methode gestattet den empfindlichsten Nachweis, da im Vakuum des Prüfobjektes fast kein störender Helium-Untergrund vorhanden ist.


2.) Lecksuche von innen nach außen:

Bei dieser Leckortungsmethode wird das Prüfobjekt mit Helium gefüllt. Am Helium-Lecksuchgerät ist eine Schnüffelsonde angebracht, durch die ständig ein schwacher Luftstrom zum Lecksuchgerät gesaugt wird. Führt man die Schnüffelsonde nun am Prüfobjekt über die kritischen Bereiche und gelangt dabei Helium statt Luft in die Schnüffelsonde, so wird dies dort angezeigt.


Diese Prüfmethode ist besonders geeignet, wenn sich bei der Vakuum-Methode lange Ansprechzeiten ergeben würden. Bei der Schnüffelsonde wird die Ansprechzeit nur durch die Länge der Schnüffelleitung bestimmt. Sie liegt bei einer gängigen Schlauchlänge von 3 Metern in Bereich von einer Sekunde. Sind lange Schnüffelleitungen erforderlich, so gibt es ein Verfahren, das üblicherweise "Quick Test" genannt wird. Dabei wird der Gastrom durch die Schnüffelleitung mit einer Membranpumpe erhöht. Da aber dieser größere Gasfluss nicht insgesamt in das Lecksuchgerät geleitet werden kann, ist die Empfindlichkeit dieser Methode geringer.


Gegenüber der Vakuum-Methode ist die Schnüffelmethode bedeutend unempfindlicher, da sich in der Luft 5 ppm Helium befinden. Das entspricht einem Partialdruck von 5 x 10-3 mbar. Dieser Heliumanteil in der Atmosphäre wird vom Helium-Lecksuchgerät deutlich als Untergrundsignal nachgewiesen und empfindlicher als das Untergrundsignal kann nicht gemessen werden. So liegt die Nachweisgrenze bei der Helium-Schnüffelmethode bei rund 2 x 10-6 mbar l/s.

Messung der Gesamtleckrate

Die Messung der Gesamtleckrate wird auch Integraltest genannt. Sie kann wiederum auf zweierlei Art ausgeführt werden, nämlich erstens von außen nach innen und zweitens von innen nach außen. Diese Art der Messung gibt keine Auskunft über die örtliche Lage der Leckage.


1.) Integraltest von außen nach innen:

Das Prüfobjekt wird vom Helium-Lecksuchgerät evakuiert. Von außen wird es von einer Hülle oder Glocke umgeben, die mit Helium gefüllt wird. Um eine Messung der Gesamtleckrate zu erlangen, muss unter der Hülle 100% Helium sein. Bei einer Glocke kann man dies erreichen, indem man vor dem Füllen mit Helium die Glocke evakuiert. Bei einer Hülle, die das Evakuieren nicht zulässt (z.B. eine Hülle aus einer Folie) muss man die 100%ige Füllung durch Spülen erreichen. Dazu muss die Hülle auch eine Austrittsöffnung haben. Dort kann man mit einem am Lecksuchgerät über einen Schlauch angeschlossenem geeichten Kapillarleck die Heliumkonzentration messen.


Bei dieser Art der Messung spielt die Ansprechzeit keine Rolle. Die Leckanzeige steigt dann entsprechend langsam an. Man darf das Messergebniss erst ablesen, wenn sich die Leckanzeige nicht mehr ändert.


2.) Integraltest von innen nach außen:

Das vollständig mit Helium gefüllte Bauteil wird unter einer Glocke angebracht, die vom Helium-Lecksuchgerät evakuiert wird. Jegliches aus der Leckage entweichende Helium gelangt so zum Lecksuchgerät und wird dort quantitativ angezeigt. Für die Ansprech-Zeitkonstante ist das Restvolumen unter der Glocke dividiert durch das effektiv wirksame Saugvermögen an der Glocke maßgebend.


Bei großen Bauteilen, die nicht mehr unter einer Glocke angebracht werden können, gibt es ein Ersatzverfahren. Man umhüllt das Prüfobjekt mit einer Folie und misst den Anstieg der Heliumkonzentration unter der Folie. Dabei muss die Wartezeit und auch die sich ergebende Leckrate errechnet werden. Bei langen Ansprechzeiten muss die Folie metallisiert sein, sonst ergeben sich Heliumverluste durch Permeation durch die Folie. Eine detaillierte Beschreibung dieses Verfahrens ist in meinem Seminar für Dichtheitsmessungen und Lecksuchmethoden zu finden.

Die Lecksuche mit Wasserstoff

Die Lecksuche mit dem Spürgas Wasserstoff spielte wegen der Gefährlichkeit des Gases bisher kaum eine Rolle. Inzwischen aber gibt es einen Halbleiter-Sensor, der Wasserstoff mit einer Empfindlichkeit von 0,5 ppm nachweisen kann. Auch der Wasserstoffgehalt der Luft ist sehr klein, nämlich auch 0,5 ppm (um den Faktor 10 kleiner als der Untergrund beim Helium). So wird es interessant, mit einem Spürgasgemisch von 5% Wasserstoff und 95% Stickstoff mit diesem Sensor Lecksuche und Dichtheitstests zu betreiben. Dieses Gemisch ist weder brennbar noch explosiv. Es ist unter dem Namen Formiergas erhältlich.


Da auch die Energieversorgung mit Wasserstoff ein zukunftsträchtiges Thema ist und bereits heute Anwendungen existieren (z.B. Brennstoffzelle, Kfz-Antrieb etc.), so gibt es auch schon Geräte und Anlagen, die mit Wasserstoff gefüllt sind oder damit betrieben werden. Dort bietet sich die Lecksuche mit diesem Sensor geradezu an. Man kann zwar auch Massenspektrometer-Lecksuchgeräte auf Wasserstoff abstimmen, aber der Halbleiter-Sensor erlaubt eine Lecksuche ohne Vakuumsystem und damit geringerem technischen Aufwand.


Der Wasserstoff-Sensor ist ein Halbleiterelement auf Metallhydrid-Basis. Er reagiert sehr empfindlich auf Wasserstoff. Dabei ändert sich sein Strom. Dies wird zur Leckagemessung genutzt. Die Lecksuche funktioniert etwas anders als die Helium-Lecksuche. Der Wasserstoff-Sensor sitzt direkt in der Schnüffelsondenspitze. Es wird kein Gas angesaugt sondern das aus einem Leck austretende Formiergas gelangt durch Diffusion an die dicht vorbeigeführte Schnüffelsonde. Es ist nur die Schnüffelmethode anwendbar. Ein Test von außen nach innen (bei evakuiertem Testobjekt) ist nicht möglich.


So gibt es mit dem Wasserstoff Lecksuchgerät nur die folgenden Testmethoden:

1.) Leckortung (von innen nach außen) durch absuchen mit der Schnüffelsonde

2.) Integraltest von innen nach außen : Das mit Formiergas gefüllte Prüfobjekt wird unter eine Haube gestellt und mit der Wasserstoff-Schnüffelsonde wird der Anstieg der Wasserstoffkonzentration gemessen.