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Die Erfindung betrifft eine Prüfkammervorrichtung und ein Verfahren zur Lokalisation eines Lecks in einem Prüfling, der ein Prüfgas enthält.
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Es ist bekannt, Prüflinge, wie zum Beispiel Lebensmittelverpackungen, mit einem Prüfgas zu befüllen und in eine Folienkammer einzubringen, die evakuiert wird, um anschließend aus dem Prüfling in die Folienkammer austretendes Prüfgas zu detektieren. In vielen Fällen kann auch im Prüfling, z.B. einem Verpackungsbeutel, bereits vorhandenes Gas als Prüfgas verwendet werden. Dabei kann es sich um Schutzgas handeln oder um Gasbestandteile der Luft, wie zum Beispiel Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid. Als Prüfgas können auch in der Verpackung enthaltene Aromastoffe des verpackten Lebensmittels, zum Beispiel Kaffee, genutzt werden. Als weitere Möglichkeit können als Prüfgas Gase verwendet werden, die in der Verpackung von dem verpackten Lebensmittel erzeugt werden, wie zum Beispiel Kohlendioxid, welches in einer Kaffeepackung nach wenigen Stunden entsteht.
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Dadurch, dass der Druck innerhalb der Folienkammer im Bereich außerhalb des Prüflings geringer ist als innerhalb des Prüflings, tritt Prüfgas durch ein mögliches Leck im Prüfling aus. Bei den bekannten Verfahren wird der Verlauf des Druckanstiegs in der Folienkammer überwacht, um auf ein mögliches Leck zu schließen. Wenn der Druckanstieg ein bestimmtes Maß übersteigt, kann dies als Hinweis auf ein Leck im Prüfling gesehen werden.
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Es ist ferner bekannt, Prüflinge, die ein Prüfgas enthalten, in einer Prüfkammer mit starren Prüfkammerwänden auf Dichtheit zu prüfen.
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Unabhängig davon, ob die Prüfkammer starre Wände aufweist oder als Folienkammer mit flexiblen Prüfkammerwänden ausgebildet ist, ist herkömmlicherweise allgemein ein Lecksensor an die Prüfkammer angeschlossen, mit dem nach Evakuieren der Prüfkammer bei atmosphärischem Druck innerhalb des Prüflings ein Leck im Prüfling ermittelt werden kann. Bei dem Lecksensor kann es sich beispielsweise um einen Drucksensor handeln, der den Druck innerhalb der Prüfkammer misst. Bekannt ist in diesem Zusammenhang eine Messung des Totaldrucks in der Prüfkammer oder eine Messung und Überwachung der Änderung des Totaldrucks über der Zeit („Rate of Rise“). Alternativ kann auch der Partialdruck des Prüfgases in der Prüfkammer gemessen werden, also der Anteil des Prüfgases in dem Gasgemisch innerhalb der Prüfkammer. Die Partialdruckmessung kann mit Hilfe einer für das Prüfgas selektiven Membran und einem Drucksensor oder mit einem Massenspektrometer erfolgen. Bei Prüfkammern mit starren Prüfkammerwänden werden typischerweise Gasdetektoren als Lecksensoren eingesetzt, die in der Lage sind, das Prüfgas zu detektieren.
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In der vorliegenden Beschreibung werden all diese Arten von Sensoren, d.h. Gasdetektor, Drucksensor, Massenspektrometer, etc. als „Lecksensor“ bezeichnet.
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Mit den herkömmlichen Lecksensoren einer Prüfkammer ist es typischerweise nicht möglich, den Ort eines Lecks im Prüfling zu lokalisieren. Vielmehr kann lediglich das Vorhandensein eines Lecks ermittelt werden. Um den Ort eines Lecks zu ermitteln, muss ein weiteres Lecksuchgerät verwendet werden, wie beispielsweise ein Schnüffellecksucher. Ein solches herkömmliches Lecksuchgerät erfordert einen zusätzlichen, von der eigentlichen Leckagedetektion unabhängigen Messvorgang, bei dem der Prüfling unabhängig von der Prüfkammer gegenüber der äußeren Atmosphäre mit Druck beaufschlagt wird und die äußere Oberfläche des Prüflings mit dem weiteren, lokalisierenden Lecksuchgerät abgesucht wird. Beispielsweise wird die Prüflingsoberfläche mit einem Schnüffellecksucher abgeschnüffelt. Diesen lokalisierenden Lecksuchverfahren ist gemein, dass das weitere Lecksuchgerät manuell von einem Bediener über die Oberfläche des Prüflings geführt werden muss und dabei die Gefahr besteht, dass Bereiche der Oberfläche des Prüflings nicht oder nicht ausreichend untersucht werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Prüfkammervorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Lokalisation eines Lecks in einem Prüfling zu schaffen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1. Die Prüfkammervorrichtung ist mit Prüfkammerwänden versehen, die eine Prüfkammer bilden und ein Prüfvolumen umschließen und im geschlossenen Zustand hermetisch gegenüber der äußeren Umgebung abschließen. Die Prüfkammerwände können geöffnet werden, um einen Prüfling in die Prüfkammer einzubringen. Dabei ist der Prüfling mit einem Prüfgas befüllt, das entweder bereits in dem Prüfling enthalten ist, wie z.B. ein in einer Lebensmittelverpackung vorhandenes Gas, oder das vor Einbringen des Prüflings in die Prüfkammer aktiv in den Prüfling eingefüllt wird. Bei der Methode „Rate of Rise“ kann als Prüfgas auch Luft verwendet werden, der Totaldruckanstieg während der Messung wird dazu mit einem vom Prüfgas unabhängigen Totaldrucksensor erfasst.
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Die Prüfkammer ist mit einer Vakuumpumpe verbunden, die das Prüfvolumen im geschlossenen Zustand der Prüfkammer evakuiert. An das Prüfvolumen kann ein für die Erfindung nicht zwingend erforderlicher Lecksensor angeschlossen und dazu ausgebildet sein, ein Leck im Prüfling zu detektieren, beispielsweise indem das aus der Prüfkammer abgesogene Gas auf das Vorhandensein von Prüfgas untersucht wird. Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Prüfkammervorrichtung mit einer Lokalisationsvorrichtung versehen ist, die dazu ausgebildet ist, Temperaturen in mindestens einem Bereich der Prüfkammerwände oder mindestens einer an mindestens eine der Prüfkammerwände angrenzenden Struktur zu ermitteln, z.B. indem die Temperaturen gemessen werden oder indem Parameter erfasst werden, aus denen die Temperatur hergeleitet werden kann. Die Lokalisationsvorrichtung ist zudem dazu ausgebildet, aus den ermittelten Temperaturen auf den Ort eines Lecks im Prüfling zu schließen.
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Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass aus dem Prüfling austretendes Prüfgas, wie z.B. Luft oder Helium, bei dem Austritt aus einem Leck expandiert und durch die Expansion abkühlt. Das expandierende, abgekühlte Prüfgas gelangt an die Prüfkammerwände und/oder an die daran angrenzende Struktur und kühlt diese in einem entsprechenden Bereich ab. Durch Ermitteln von Temperaturen bzw. der Temperaturänderungen der Prüfkammerwand oder der angrenzenden Struktur in diesem Bereich kann festgestellt werden, dass die Prüfkammerwand oder die Struktur in einem solchen Bereich eine geringere Temperatur aufweist als in anderen Bereichen. Die Lokalisationsvorrichtung kann diesen Bereich dann als einen Bereich erkennen, in dessen Nähe sich ein Leck in dem Prüfling befindet.
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Die Lokalisationsvorrichtung kann hierbei einen Temperatursensor aufweisen. Der Temperatursensor kann mit der Prüfkammerwand oder der angrenzenden Struktur verbunden sein oder die an die Prüfkammerwand angrenzende Struktur bilden, die Prüfkammerwand kontaktieren oder außerhalb der Prüfkammer in einem Abstand zur Prüfkammerwand angeordnet sein und die von der Prüfkammerwand ausgehende Wärmestrahlung erfassen. Beispielsweise kann es sich bei dem Temperatursensor um eine Thermographiekamera handeln, die die Wärmestrahlung der äußeren Oberfläche der Prüfkammerwand erfasst. Alternativ oder ergänzend sind andere Arten von Temperatursensoren denkbar, beispielsweise solche, die die Prüfkammerwand kontaktieren.
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Hier kommen insbesondere thermosensitive Folien in Betracht, die als an eine Prüfkammerwand angrenzende Strukturen innen oder außen an eine Prüfkammerwand angelegt werden, um einen Wärmeübertrag von der Prüfkammerwand auf die Folie zu ermöglichen. Die Folie ändert ihre Farbe in einem Bereich, indem die angrenzende Prüfkammerwand ihre Temperatur ändert, beispielsweise bei auf die Prüfkammerwand auftreffendem Leckagegas. Alternativ oder ergänzend ist zudem denkbar, dass die Prüfkammerwand mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren gleichmäßig verteilten Temperatursensoren in Form von Thermoelementen versehen wird, die die Prüfkammerwand kontaktieren und eine temperaturabhängige Spannung generieren, die erfasst und ausgewertet werden kann, um die Temperatur zu ermitteln.
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Insbesondere kann die Lokalisationsvorrichtung mehrere Temperatursensoren aufweisen, beispielsweise indem auf einander gegenüberliegenden Seiten der Prüfkammer verschiedene Temperatursensoren vorgesehen sind. Insbesondere können auf einander gegenüberliegenden Seiten Thermographiekameras, thermosensitive Folien und/oder Thermoelemente vorgesehen sein.
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Des Weiteren kann die Lokalisationsvorrichtung eine mit dem Temperatursensor verbundene Analyseeinheit beinhalten, die zur Auswertung der ermittelten Temperaturwerte ausgebildet ist und anhand der Temperaturwerte einen Bereich der Prüfkammerwand ermitteln kann, in dessen Nähe sich ein Leck im Prüfling befindet. Bei dem so ermittelten Bereich kann es sich um eine Projektion des Orts eines Lecks im Prüfling auf die angrenzende Prüfkammerwand handeln. Unter Kenntnis der Position und Ausrichtung des Prüflings innerhalb der Prüfkammer kann dann von dem ermittelten Bereich der Prüfkammerwand auf den Ort des Lecks im Prüfling geschlossen werden.
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Hierzu können Schwellenwerte der ermittelten Temperatur verwendet werden, um bei Überschreiten oder Unterschreiten eines Schwellenwerts auf das Vorhandensein eines Lecks in der Nähe des jeweiligen Orts der Prüfkammerwand zu schließen. Wenn also ein aus einem Leck im Prüfling austretendes Prüfgas die Prüfkammerwand in einem an das Leck angrenzenden Bereich der Prüfkammerwand abkühlt, kann dieser Bereich bei Unterschreiten eines entsprechenden Schwellenwerts der Temperatur der Prüfkammerwand erkannt werden.
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Die ermittelten Temperaturen der Prüfkammerwand werden einem Bedierner vorzugsweise auf einem Anzeigegerät der Prüfkammervorrichtung angezeigt. Der Bediener kann dann während der Leckdetektion zugleich erkennen, wo sich ein mögliches Leck im Prüfling befindet, ohne zur Lokalisation eines Lecks eine von der eigentlichen Leckagedetektion unabhängige, separate Messung vornehmen zu müssen. Im Falle einer Thermographiekamera kann beispielsweise das Bild der Thermographiekamera auf der Anzeigevorrichtung wiedergegeben werden.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels und
- 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels.
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Die Prüfkammervorrichtung 10 der dargestellten Ausführungsbeispiele weist eine Prüfkammer 12 in Form einer herkömmlichen Folienkammer auf, deren Prüfkammerwände 14, 16 aus Folienlagen bestehen, die in ihren Rändern aufeinander gelegt sind. Die Prüfkammerwände 14, 16 sind in ihrem Randbereich durch einen umlaufenden Halterahmen 18 hermetisch mit einander verbunden und die Prüfkammer 12 dadurch hermetisch verschlossen. Zur Entnahme und zum Austauschen des Prüflings 20 kann der Halterahmen 18 geöffnet werden, um die Prüfkammerwände 14, 16 auseinanderzuklappen und die Prüfkammer 12 dadurch zu öffnen.
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Die Figuren zeigen die Prüfkammer 12 im geschlossenen Zustand. In dem von den Prüfkammerwänden 14, 16 umschlossenen Prüfvolumen 22 ist ein Prüfling 20 enthalten, bei dem es sich beispielsweise um eine Lebensmittelverpackung handeln kann.
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Die Prüfkammer 12 ist mit einer Vakuumpumpe 26 verbunden und wird von dieser auf einen geringeren Druck als äußerer Atmosphärendruck evakuiert. Dabei wird der Abstand zwischen den Prüfkammerwänden 14, 16 und dem Prüfling 20 reduziert, wodurch sich die Folien der Prüfkammerwände 14, 16 im Fall einer Folienkammer an die äußere Kontur des Prüflings 20 anschmiegen und diesen kontaktieren. Lediglich zur Veranschaulichung ist in den Figuren ein größerer Abstand zwischen Prüfling 20 und den Prüfkammerwänden 14, 16 dargestellt. Die Figuren sind in dieser Hinsicht nicht maßstabsgetreu zu verstehen. Der tatsächliche Abstand ist im Falle einer Folienkammer in evakuiertem Zustand deutlich geringer.
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An dem Auslass der Vakuumpumpe 26 gemäß 1 ist ein Lecksensor 28 in Form eines Gasdetektors angeschlossen, der das von der Vakuumpumpe 26 aus der Prüfkammer 12 evakuierte Gas analysiert. Sollte in dem von der Vakuumpumpe 26 evakuierten Gas Prüfgas enthalten sein, kann dies von dem Lecksensor 28 erkannt werden. Dadurch kann das Vorhandensein eines Lecks 24 im Prüfling 20 ermittelt werden, nicht jedoch dessen Ort lokalisiert werden.
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Als Alternative zu dem Lecksensor 28 gemäß 1 kann gemäß 4 ein Lecksensor 28 stromaufwärts der Vakuumpumpe 26, d.h. zwischen Prüfkammer 12 und Vakuumpumpe 26 vorgesehen sein. Bei dem Lecksensor 28 gemäß 4 handelt es sich um einen Totaldrucksensor. Nach Evakuieren der Prüfkammer 12 kann ein zwischen dem Lecksensor 28 und der Vakuumpumpe 26 vorgesehenes Ventil geschlossen werden, um den Totaldruck des Gases innerhalb der Prüfkammer 12 zu messen und zu überwachen. Hier kann beispielsweise das Messverfahren nach dem „Rate of Rise“-Prinzip zum Einsatz kommen. Diese Art von Lecksensor 28 gemäß 4 ist auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 denkbar. Alternativ ist bei jedem der Ausführungsbeispiele denkbar, keinen Lecksensor 28 zu verwenden.
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Um den Ort eines Lecks lokalisieren zu können, ist die Prüfkammervorrichtung 10 jedes der Ausführungsbeispiele mit einer Lokalisationsvorrichtung 30 versehen, die zwei Temperatursensoren 32, 34 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Prüfkammer 12 aufweist. Die Temperatursensoren 32, 34 sind in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel Thermographiekameras, wobei die Thermographiekamera gemäß dem Temperatursensor 32 die Prüfkammerwand 14 erfasst, während die Thermographiekamera gemäß dem Temperatursensor 34 auf der gegenüberliegenden Seite die Prüfkammerwand 16 erfasst. Von den Prüfkammerwänden 14, 16 ausgehende Wärmestrahlung 36 wird auf diese Weise von den Temperatursensoren 32, 34 erfasst.
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Die beiden Temperatursensoren 32, 34 sind elektronisch mit einer Analyseeinheit 38 verbunden, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Teil des Lecksensors 28 ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Analyseeinheit 38 in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Lecksensor 28 angeordnet ist.
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Die Analyseeinheit 38 empfängt die von den Temperatursensoren 32, 34 generierten elektronischen Messdaten und berechnet aus diesen Messdaten entsprechende Wärmebilder der äußeren Oberflächen der Prüfkammerwände 14, 16. Diese Thermographien werden auf einer Anzeigevorrichtung 40 visuell dargestellt. Die Anzeigevorrichtung 40 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an dem Gehäuse des Lecksensors 28 und der Analyseeinheit 38 angebracht, damit ein Benutzer des Lecksensors 28 die Anzeigevorrichtung 40 betrachten kann.
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Die Analyseeinheit 38 ist dazu ausgebildet, die von den Temperatursensoren 32, 34 erhaltenen Messdaten räumlichen Positionen auf der Oberfläche der Prüfkammerwände 14, 16 zuzuordnen. Dadurch ist die Analyseeinheit 38 in der Lage, festzustellen, dass die Prüfkammerwand 14 in einem Bereich 42 ihrer Oberfläche eine geringere Temperatur aufweist als in einem anderen Bereich 43 und als die andere Prüfkammerwand 16.
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Die Temperatur der Prüfkammerwand 14 ist in dem Bereich 42 geringer, weil der Prüfling 20 in der Nähe des Bereichs 42 ein Leck 24 aufweist, aus dem Prüfgas in Richtung auf den Bereich 42 ausströmt und beim Expandieren während des Verlassens des Prüflings 20 abkühlt und beim Auftreffen auf die Prüfkammerwand 14 diese in dem Bereich 42 abkühlt. Dadurch kann der Bereich 42 als Projektion des Orts des Lecks 24 auf die angrenzende Prüfkammerwand 14 interpretiert werden. So kann anhand der Position des Bereichs 42 auf der Oberfläche der Prüfkammerwand 14 auf den Ort des Lecks 24 in dem darunterliegenden Prüfling 20 geschlossen werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 2 handelt es sich bei den Temperatursensoren 32, 34 nicht um Thermographiekameras, sondern um Fotokameras, die die äußere Oberfläche der Prüfkammerwände 14, 16 und insbesondere daran angrenzender thermosensitiver Folien 15 aufnehmen. Die thermosensitiven Folien 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 sind außen auf die betreffenden Prüfkammerwände 14, 16 eng anliegend kontaktierend aufgelegt, so dass ein Wärmeübertrag von den Prüfkammerwänden 14, 16 auf die Folien 15 erfolgt. In dem Bereich 42 verändert die Folie 15 ihre Farbe, weil aus dem Leck 24 austretendes Gas die Prüfkammerwand 14 in diesem Bereich abkühlt und dadurch auch die Temperatur der Folie 15 sinkt, was einen Farbwechsel in diesem Bereich 42 zur Folge hat, der von der Kamera 32 erfasst wird. Die temperatursensitiven Folien bilden damit Strukturen, die außen eng an die Prüfkammerwände 14, 16 angrenzen.
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Eine weitere Alternative ist in 3 dargestellt, bei der innen an die Prüfkammerwände 14, 16 angrenzende Strukturen 15 in Form von mehreren Thermoelementen angeordnet sind, die jeweils die Prüfkammerwände 14, 16 innen kontaktieren. Das Thermoelement in dem Bereich 42 kühlt aufgrund des durch das Leck 24 austretenden Gases ab und sendet dadurch ein anderes elektrisches Spannungssignal an die Auswerteeinheit 38 als die übrigen Thermoelemente. Die Thermoelemente bilden damit Temperatursensoren 32, 34, die Temperaturen der Prüfkammerwände 14, 16 erfassen.