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Hintergrundinformationen
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Temperatureinfluss beim automatischen Dichtheitsprüfen kompensieren |
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Temperaturunterschiede zwischen Prüfling und Prüfluft können das Ergebnis bei Dichtheitsprüfungen so verfälschen,
dass dichte Teile als Ausschuss oder undichte Teile gar als Gut-Teile diagnostiziert werden. Untersuchungen mit Produktions-Dichtheitsprüfeinrichtungen ergaben,
dass es zum Korrigieren des Temperatureinflusses ausreicht, die Temperatur des Prüflings und der Prüfluft zu erfassen, wobei nur die Differenz dieser beiden Temperaturen von Bedeutung ist.
Einflüsse beim Dichtheitsprüfen von geschlossenen Hohlräumen
Beim automatischen Dichtheitsprüfen mit Luft wird das zu prüfende Werkstück einer Druckdifferenz ausgesetzt und festgestellt, ob durch eine Undichtheit Luft entweicht. Die entweichende Luftmenge kann bei den sogenannten Trocken-Lecktestverfahren jedoch nicht unmittelbar gemessen werden sondern nur deren Auswirkungen. Das sind entweder die Druckänderung, die sich durch den Luftaustritt aus einem geschlossenen undichten Hohlkörper ergibt, oder die in einen an eine Druckluftquelle angeschlossenen undichten Hohlkörper nachströmende Luftmenge. Durch diese indirekte Messung ist das Prüfverfahren mit Unsicherheiten behaftet: Die
Messgröße kann ihre Ursache außer in einer Undichtheit auch in anderen Einflüssen haben.
Der Druck in einem Hohlkörper ist von der darin befindlichen Gasmenge, seinem Volumen und von der Temperatur abhängig. Zur Durchführung einer präzisen Dichtheitsprüfung dürfen sich während der
Messphase weder das Volumen noch die Temperatur des Prüfsystems ändern. Diese Forderung gilt gleichermaßen für das Druck- als auch für das
Durchfluss-Messverfahren. Lediglich bei der Dichtheitsprüfung mit Unterdruck ist die Auswirkung dieser Einflüsse geringer.
Ein konstantes Prüfvolumen ist in einer Produktionsprüfeinrichtung noch relativ einfach sicherzustellen. Dagegen kann der geforderte isotherme Zustand aller an der Prüfung beteiligten Komponenten, also Prüfling, Prüfluft und Abdichtvorrichtung, unter den üblichen Fertigungsbedingungen gewährleistet werden.
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Tabelle 1:
Parameter der durchgeführten Dichtheitsprüfungen an Zylinderköpfen; die
Ausschuss-Grenzwerte
entsprechen einer Leckrate von 4 bis 5 qcm/min
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Untersuchungen zum Temperatureinfluß in der Serienprüfung
Die nachfolgend beschriebenen Ergebnisse wurden bei der Dichtheitsprüfung des Wasserraumes von Aluminium-Zylinderköpfen für Motoren ermittelt. Hierzu wurden Messungen (vgl. Tabelle 1) an 4-, 5- und 6-Zylinderköpfen in Losgrößen von rd. 30 bis 300 Stück in einer Transferlinie durchgeführt.
Die Häufigkeitsverteilungen (Bild 1) zeigen, daß die Werkstücke im Zeitraum dieser Meßdatenerfassung (erste Julihälfte 1989) durch-schnittlich kälter waren als die Prüfluft. Der Grund dafür liegt in der dem Prüfvorgang vorgeschalteten Waschoperation mit anschließender Abkühlung der Zylinderköpfe. Dieser Abkühlvorgang war so eingestellt, daß die Temperatur des überwiegenden Teiles der Werkstücke um 3° bis 5° C unter der Prüflufttemperatur lag, wobei die gesamte Bandbreite der Temperaturdifferenz +1 K bis -10 K betrug.
Versuchsweise wurde während einer Produktion von 4-Zylinderköpfen die Abkühlzone der Waschmaschine ausgeschaltet.
Auf diese Weise entstand der entsprechende Kurvenverlauf von +1 K bis +7 K in Bild 1.
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Bild 1:
Häufigkeitsverteilungen der gemessenen Temperaturdifferenzen zwischen Prüfling und Prüfluft,
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bei negativem DT ist der Prüfling kälter und bei positiven DT wärmer als die Prüfluft.
a: 4-Zylinderköpfe, geprüfte Anzahl 2.942
b: 5-Zylinderköpfe, geprüfte Anzahl 2.981
c: 6-Zylinderköpfe, geprüfte Anzahl 826
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Bild 2:
Gemessene Druckdifferenzen innerhalb der Prüfzeit
in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz
a: 4-Zylinderköpfe -b: 5-Zylinderköpfe -c: 6-Zylinderköpfe
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Bild 3:
Ausschuss-Grenzwerte
bei der Dichtheitsprüfung von
4-Zylinderköpfen in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz.
a: gemessener Werteverlauf mit Ausgleichsgerade bei dichten Zylinderköpfen
b: angenommener Werteverlauf bei dichten Zylinderköpfen
c:
Ausschuss-Grenzwertverlauf ohne Temperaturkompensation
d: Ausschuss-Grenzwertverlauf
mit Temperaturkompensation
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Bild 4:
Druckdifferenzwerte (a bis c) für dichte Zylinderköpfe und
Ausschuss-Grenzwerte AP1 (d bis e)
in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Prüfling und Prüfluft
a, d: 4-Zylinderköpfe
-b,e: 5-Zylinderköpfe -c,f: 6-Zylinderköpfe
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Normalerweise wird angenommen,
dass die Messwerte für dichte Werkstücke konstant sind, d.h. im Prüfzeitraum keine temperaturbedingte Druckveränderung eintritt.
Bild 2 ist zu entnehmen,
dass die Dp-Werte für dichte Zylinderköpfe im Bereich der hier üblichen Temperaturschwankungen von -2 K bis -8 K zwischen 2 und 3,5 mm WS variieren. Wird hierbei die Untersicherheit der
Messwerte (Standardabweichung) berücksichtigt, so ergibt sich ein möglicher Unterschied der
Messwerte für dichte Zylinderköpfe, der bereits dem Wert der maximal zugelassenen Leckrate entspricht.
Bild 3 zeigt diese Auswirkung bei 4-Zylinderköpfen: Beim Prüfen ohne Temperaturkompensation werden dichte Zylinderköpfe mit einer Temperaturdifferenz > + 13 K als undicht ausgewiesen und solche, die um mehr als etwa 1 K kälter als die Prüfluft sind, als Gutteile, obwohl sie eine Undichtheit haben können, die über der zugelassenen Leckrate liegt.
In Bild 4 sind die
Ausschuss-Grenzwerte für die drei geprüften Zylinderkopftypen dargestellt.
Es handelt sich dabei jeweils um die
Ausschuss-Grenzwerte AP-1 für kleine Lecks (in diesem Fall eine Leckrate von 4 bis 5 cm³/min). Parallel dazu verlaufen die AP-2-Linien, falls zwischen großen und kleinen Lecks unterschieden werden soll.
Kompensation des Temperatureinflusses
Die ermittelte Abhängigkeit der
Ausschuss-Grenzwerte von der Temperaturdifferenz zwischen Prüfling und Prüfluft wird in den Mikroprozessor des Dichtheitsprüfgerätes einprogrammiert und dort gespeichert.
Während der Serienprüfung wird bei jeder Messung der Temperaturunterschied zwischen der Prüfluft und dem zu prüfenden Werkstück gemessen. Das kann z.B. mit zwei Temperaturfühlern erfolgen, von denen einer im Dichtheitsprüfgerät installiert ist und die Temperatur der in das Werkstück einströmenden Prüfluft mißt, und der andere an das zu prüfende Werkstück zugestellt wird.
Die Kompensation des Temperatureinflusses erfolgt nun einfach dadurch,
dass der zur gemessenen Temperaturdifferenz gehörende, im Dichtheitsprüfgerät gespeicherte
Ausschuss-Grenzwert aktiviert wird.
Die Notwendigkeit zur Kompensation des Temperatureinflusses ist von dessen Anteil am
Messergebnis abhängig. Liegt er in der Größenordnung der zugelassenen Leckrate, kann auf eine Temperaturkompensation nicht verzichtet werden. |
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