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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Messen
der Leckmenge einer Dichtvorrichtung eines Raumes, der mit dem Druck eines
ersten Fluids beaufschlagt ist, und insbesondere eine derartige
Vorrichtung, bei welcher der Raum durch mindestens zwei entlang
einander zugewandten Flächen
aneinandergesetzte und gegeneinander verspannte Teile begrenzt ist,
welche den Raum umgeben und die Vorrichtung bilden.
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In
der Industrie verwendete flüssige
oder gasförmige
Fluide sind oftmals in Räumen
eingeschlossen, wie beispielsweise Reservoirs oder Leitungen, Rohren
etc...
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Derartige
Räume sind üblicherweise
aus mehreren dicht zusammengefügten
Teilen gebildet. Eine "statische" Dichtvorrichtung
wird herkömmlicherweise
durch das unter Verspannung erfolgende Zusammenfügen zweier entsprechender Flächen gebildet,
welche jeweils zu einem der beiden Teile gehören, wobei eine Dichtung aus
weichem Material zwischengefügt
sein kann oder nicht, welche zwischen den beiden Flächen zusammengedrückt ist.
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In
jedem Fall wird die Dichtigkeit erhalten, indem ein Druckkontakt
zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Flächen gewährleistet
wird. Die erhaltene Dichtqualität
hängt von
mehreren Faktoren ab, insbesondere von der Art der zusammengefügten Materialien
und der Enge des Kontakts, die durch die mechanische Druckbeaufschlagung
der in Kontakt befindlichen Flächen
bewirkt wird.
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Aus
dem Dokument
DE 196 52 514 ist
eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des beigefügten Anspruchs
1 bekannt.
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Die
Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist insbesondere für das Messen
von Gasleckagen im Bereich von Leitungsverbindungen vorgesehen.
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Diese
Vorrichtung hat den Nachteil, lediglich das Messen relativ großer Leckmengen
zu ermöglichen.
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Aus
JP 100368743 ist eine
Vorrichtung zum Erkennen von Ölleckagen
im Bereich einer Dichtung bekannt. Das in einem Reservoir enthaltene Öl ermöglich die
Schmierung einer Drehwelle. Die Erkennungsvorrichtung weist einen
ein zweites Fluid enthaltenden Speichertank auf, welcher derart
angeordnet ist, dass er die möglichen Ölleckagen
an der Dichtung aufnimmt. Eine Leitung und eine Pumpe ermöglichen
das Ableiten eines Teils des Fluids, um das eventuelle Vorhandensein
des Öls
mittels Fluoreszenz zu erkennen.
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Diese
Vorrichtung hat den Nachteil, lediglich das Erkennen möglicher Ölleckagen,
jedoch nicht das Messen der Mengen dieser Leckagen zu erlauben.
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Die
vorliegende Erfindung hat insbesondere die Aufgabe, ein Verfahren
zu schaffen, welches das Messen von sehr geringen, ja sogar infinitesimalen Leckmengen
ermöglicht.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zum Messen der Leckmenge
einer Dichtvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Das
permanente und in einer geschlossenen Schleife erfolgende Zirkulierenlassen
des zweiten Fluids ermöglicht
das Erkennen einer beliebig geringen Leckmenge des ersten Fluids:
es ist in der Tat ausreichend, das zweite über genügend lange Zeit in dieser Schleife
zirkulieren zu lassen, damit das zweite Fluid eine Menge des ersten
Fluids aufnehmen kann, die groß genug
ist, um mit herkömmlichen Messgeräten gemessen
werden zu können.
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Ferner
kann das Volumen der Schleife an die Leckmenge des ersten Fluids
angepasst werden, indem die Größenordnung
der Konzentration des ersten Fluids in dem zweiten Fluid an die
Empfindlichkeit der zur Verfügung
stehenden Geräte
angepasst wird: es wird eine Schleife mit geringem Volumen für eine geringe
Leckmenge des ersten Fluids verwendet und umgekehrt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Gerät zum Messen der Leckmenge
gemäß dem beigefügten Anspruch
2.
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Wie
im Folgenden näher
dargelegt, ermöglicht
es das erfindungsgemäße Gerät auf einfache und
bequeme Art das gesamte durch die Dichtvorrichtung austretende Fluid
aufzunehmen und die Leckmenge genau zu messen.
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Die
Letztere ermöglicht
das Bestimmen der Wirksamkeit der Dichtvorrichtung und zwar sowohl im
Falle einer Flüssigkeit,
als auch eines Gases.
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Gemäß anderen
optionalen Merkmalen des erfindungsgemäßen Geräts ist vorgesehen, dass:
- – die
Messeinrichtungen Einrichtungen zum Entnehmen einer Probe des zweiten
Fluids und Einrichtungen zur gaschromatographischen Analyse der
Zusammensetzung der Probe aufweisen, um die in dem zweiten Fluid
enthaltene Menge des ersten Fluids zu messen,
- – die
Probe eine innere Prüfmasse
enthält,
die in einem genau festgelegten Massenverhältnis zu derjenigen der Probe
steht,
- – das
Gerät Einrichtungen
zum Messen der Klemmkraft der Flächen
aufweist,
- – das
Gerät Einrichtungen
zum Messen des Drucks des ersten Fluids aufweist,
- – die
einander gegenüberliegenden
Flächen durch
eine geschlossene Kontur begrenzt sind, von der eine an mindestens
einem der genannten Teile ausgebildete Rippe absteht, um sich unter dem
Klemmdruck an dem anderen Teil abzustützen,
- – die
genannte Rippe einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist,
- – das
Gerät durch
Temperaturregeleinrichtungen temperiert ist,
- – das
Gerät Einrichtungen
zum Beobachten der Kontaktzone zwischen den zugewandten Flächen der
genannten Teile aufweist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung sowie der Betrachtung der beigefügten Zeichnungen,
welche zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Geräts;
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2 ein
Axialschnitt eines wesentlichen Teils des Geräts von 1;
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3 ein
Axialschnitt eines besonderen Ausführungsbeispiels eines der Teile,
welche den Raum des erfindungsgemäßen Geräts begrenzen, und
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4 bis 6 Diagramme
zur Darstellung der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gerätes durchführbaren Messungen.
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Aus
den 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen ergibt sich,
dass das Herzstück
des dargestellten Messgeräts
durch einen Raum 1 gebildet ist, welcher im Wesentlichen
durch zwei im Allgemeinen zylindrische und koaxiale Teile 2 und 3 begrenzt
ist, die, wie in 2 näher gezeigt, entlang zweier
einander zugewandter Flächen
aneinander gesetzt sind. Eine Rippe 4 mit geschlossener
Kontur steht von einem der beiden Teile 2, 3 (bei
dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel von
dem Teil) 2 ab, um sich an dem anderen Teil abzustützen, wodurch
auf diese Weise zwei einander zugewandte, den Raum 1 umgebende
Kontaktflächen
gebildet sind.
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Die
Teile 2 und 3 sind durch Klemmeinrichtungen gegeneinander
gepresst, welche beispielsweise durch einen in 2 näher dargestellten
Zylinder 5 gebildet sind. Der Zylinder 5 wird
durch eine Druckfluidquelle 6 gespeist, die mit herkömmlichen Einrichtung 6a zur
Regelung des Drucks des an den Zylinder 5 ausgegebenen
Fluids und somit der Klemmkraft der genannten gegenüberliegenden Kontaktflächen verbunden
ist.
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Der,
wie in 2 dargestellt, einen abgeflachten Querschnitt
aufweisende Raum 1, ist seinerseits mit einem Fluid gefüllt, das über eine
Leitung 7 zugeführt
wird, welche den Zylinder 5 axial durchläuft, so
dass sie mit einem in dem Teil 2 gebohrten axialen und
in den Raum 1 mündenden
Loch 8 verbunden ist. Dieses Fluid wird mittels jeglichem
bekannten Mittel in der Leitung 7 druckbeaufschlagt, beispielsweise
mittels eines in einem Zylinder 10 befindlichen Kolbens 9,
welcher zwischen der Leitung 7 und einer Quelle 11 eines
Druckfluids, vorzugsweise Gas, angeordnet ist, wobei die genannte
Quelle mit Einrichtungen 11a verbunden ist, welche eine Änderung
des Drucks des von dieser ausgegebenen Gases und damit desjenigen
des in dem Raum 1 enthaltenen Fluids ermöglichen,
wobei dieses Fluid beispielsweise eine Flüssigkeit ist. Es ist ersichtlich, dass
der Kolben 9 eine physische Isolierung zwischen dem in
der Leitung 7 enthaltenen Fluid und dem von der Quelle 11 ausgegebenen
Fluid bildet, so dass das eine Fluid eine Flüssigkeit und das andere ein
Gas sein kann.
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Ein
für die
von dem Zylinder 5 auf das Teil 2 aufgebrachte
Kraft empfindlicher Sensor 13 und ein für den Druck des den Raum 1 speisenden
Fluids empfindlicher Sensor 14 ermöglichen, in Verbindung mit
den Einrichtungen 6a bzw. 11a, das Regeln der von
den Quellen 6 bzw. 11 ausgegebenen Fluiddrücke auf
vorbestimmte gewählte
Werte.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, sind die Teile 2, 3 und
der Zylinder 5 koaxial in dem gleichen Rahmen 15 übereinanderliegend
angeordnet, welcher einen zylindrischen Teil 15a und zwei
Ansätze 15b und 15c aufweist,
die je weils durch zu axialen Gewinden 16a, 16b, 16c, 16d komplementären Schrauben
an einer Basis des zylindrischen Teils 15a gehalten sind.
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Die
Teile 2, 3 sind zwischen dem Ansatz 15b und
dem Zylinder 5 beispielsweise unter Zwischenfügung von
Scheiben 17a, 17b aus Teflon (eingetragene Marke)
geklemmt. In dem Ansatz 15b und der Scheibe 17a können nahe
der Rippe 4 Öffnungen 18a, 18b gebohrt
sein, um das direkte Beobachten des Kontakts zwischen den Teilen 2 und 3 zu
ermöglichen,
sofern das Teil 3 aus transparentem Material besteht.
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Ringförmige Dichtungen 19a, 19b sind
im zylindrischen Teil 15a des Rahmens 15 jeweils
an den Teilen 2 und 3 zu einem noch zu erläuternden
Zweck angebracht.
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Der
Zylinder 5 weist einen in einem Gehäuse 5b axial bewegbaren
Kern 5a auf. Das aus dem Gehäuse 5b austretende
Ende des Kerns 5a stützt
sich unter dem Druck des Fluids der Quelle 6 an der Scheibe 17b ab,
wobei das Fluid über
eine Leitung 20 in eine dichte Kammer 20a eintritt,
in welcher das andere Ende des Kerns 5a in das Fluid eingetaucht ist.
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Wie
aus der 2 gut ersichtlich, sind der Kern 5a und
das Gehäuse 5b von
jeweiligen axialen Löchern
durchsetzt, durch welche die von der Quelle 11 kommende
Leitung 7 verläuft,
um den Raum 1 durch das in dem Teil 2 gebohrte
axiale Loch 8 zu füllen.
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Der
Kraftsensor 13 liegt in Form einer Scheibe vor, die derart
am Boden des Rahmens 15 zwischen diesem und dem Gehäuse 5b des
Zylinders 5 angebracht ist, dass sie für die Reaktion des Kerns 5a auf
den in dem Raum 1 herrschenden Fluiddruck empfindlich ist.
Er kann beispielsweise durch eine Dehnungsmessbrücke oder durch eine Scheibe
aus piezoelektrischem Material gebildet sein. das von dem Sensor 13 gelieferte
Signal ermöglicht
es, in Verbindung mit den Regeleinrichtungen 6a, den von der
Quelle 6 an den Zylinder 5 gelieferten Druck und somit
die auf die Teile 2, 3 aufgebrachte Klemmkraft zu
regeln.
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Es
ist ersichtlich, dass der Raum 1 das druckbeaufschlagte
Fluid nur in dem Maße
hält, in dem
dieses Fluid nicht über
die Grenzfläche
der Teile 2 und 3 austritt.
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Diese
Grenzfläche
simuliert somit eine herkömmliche "statische" Dichtvorrichtung,
welche durch das unter Druck erfolgende Aneinandersetzen zweier
Flächen
gebildet ist. Sie kann zur Simulation einer großen Vielzahl verschiedener
derartiger Vorrichtungen ausgebildet sein, die aus einem Teil mit
einer Nachbildung einer sich an ein freies Teil anlegenden Dichtung,
wie in den 1 und 2 dargestellt,
aus einer Anordnung bestehend aus einer Dichtung und einem Flansch,
etc. gebildet sein können.
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Die
Wirksamkeit einer derartigen Vorrichtung hängt von verschiedenen Parametern
wie beispielsweise dem Druck des in dem abzudichtenden Raum enthaltenen
Fluids, der auf die Flächen
aufgebrachten Klemmkraft, der Porosität der die Teile 1 und 2 bildenden
Materialien, der Rauheit der Kontaktflächen, der Umgebungstemperatur,
etc. ab.
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In
dieser Hinsicht kann das erfindungsgemäße Gerät mittels jeder geeigneten
Einrichtung in geeigneter Weise derart temperiert werden, dass seine Temperatur,
und insbesondere die des Fluids des Raums, auf einen vorbestimmten
Wert regelbar ist.
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Die
Wirksamkeit der Dichtvorrichtung kann durch die Leckmenge der Vorrichtung
gemessen werden, das heißt
des in dem Raum 1 enthaltenen Teils des Druckfluids, das
aus diesem Raum austreten kann, indem es zwischen den beiden geklemmten
Kontaktflächen
des Teils 3 und der Rippe 4 des Teils 2 hindurchtritt.
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Zu
diesem Zweck weist das erfindungsgemäße Gerät Einrichtungen zum Einleiten
dieses Teils des Fluids in ein zweites Fluid auf, das mittels einer Pumpe 22 in
einer geschlossenen Schleife in dem Kreislauf 21 zirkuliert
(siehe 1).
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Um
das austretende Fluid zu sammeln, durchläuft der Kreislauf 21 eine
Kammer 23, die sich um den Raum 1 erstreckt, wobei
diese Kammer somit eine der Rippe 4 folgende Kontur, beispielsweise eine
ringförmige
Kontur, aufweist. Die Ringdichtungen 19a, 19b verhindern
das Austreten des zweiten Fluids über den Umfang der Teile 2, 3.
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Es
ist ersichtlich, dass auf diese Weise jeder aus dem Raum 1 austretende
Teil des "ersten" Fluids in das im
Kreislauf 21 zirkulierende zweite Fluid gelangt.
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Aufgrund
des Zirkulierens in einem geschlossenen Kreislauf gewährleistet
das zweite Fluid ein Spülen
der Kammer 23, das heißt,
eine permanente Zirkulation in der Kammer, die ein progressives Beschicken
des zweiten Fluids mit einer messbaren Menge des ersten Fluids ermöglicht.
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Um
das Ausmaß der
Leckage über
die Zeit zu quantifizieren, umfasst das erfindungsgemäße Gerät Einrichtungen 24, 25 zum
Messen der Menge des ersten Fluids, die sich in zunehmendem Maß in dem
zweiten Fluid befindet.
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Lediglich
zu Beispielzwecken und nicht einschränkend angeführt, weisen diese Einrichtungen Einrichtungen
zum Entnehmen von Proben des zweiten Fluids, die beispielsweise
durch eine herkömmliche
Spritze gebildet sind, und Einrichtungen 25 zum Analysieren
der Zusammensetzung der Probe auf.
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Vorteilhafterweise
arbeiten diese Analyseeinrichtungen erfindungsgemäß gaschromatographisch
mit einem Flammenionisationsdetektor, wobei es sich um ein genaues,
kostengünstiges
und schnelles Verfahren handelt.
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Zur
weiteren Verbesserung der vorgenommenen Messungen wird aus im Folgenden
erläuterten
Gründen
im zweiten (Spül-)Fluid
eine innere Prüfmasse
vorgesehen.
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Es
sei angenommen, dass das erste und das zweite Fluid Butanol beziehungsweise
Ethanol sind. Es handelt sich somit um das Messen einer Masse Butanol,
die durch Leckage in das Ethanol in dem Kreislauf 21 gelangt
ist. Die Messung dieser Masse durch Gaschromatographie beruht auf
der Erkennung von beispielsweise elektrischen Signalen, die proportional
zu der Butanolmasse sind, welche in der aus dem Kreislauf 21 entnommenen
Fluidprobe, welche aus einer Mischung aus Ethanol und Butanol gebildet
ist, enthalten ist. Diese Masse ist von derjenigen der Probe abhängig und
somit von dem zur Bildung einer Probe entnommenen Flüssigkeitsvolumen.
Jeder Fehler bei der Messung dieses Volumens beeinträchtigt folglich
die angestrebte Messgenauigkeit.
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Zur Überwindung
dieses Nachteils wird, vor dem Einleiten von Ethanol in den Kreislauf 21,
in ein großes
Ethanolvolumen eine genaue Masse einer "inneren Prüfmasse" eingeleitet, die beispielsweise aus
Propanol besteht. Das verwendete Ethanolvolumen ist groß, damit
das Verhältnis
der Masse des Ethanols zu der Masse des Propanols mit hoher Genauigkeit
feststellbar ist.
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Das
Messen der durch Leckage in die entnommene Probe eingetretenen Butanolmasse
erfolgt somit unter Bezugnahme auf die in der Probe enthaltene Prüfmasse (Propanol),
wodurch die Messung von dem Volumen der entnommenen Probe unabhängig ist.
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Im
Folgenden wird ein Beispiel für
die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts erhaltenen
Messergebnisse unter Bezugnahme auf die 3 der beigefügten Zeichnungen
und die Diagramme der 4 bis 6 beschrieben.
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Bei
diesem Beispiel entspricht das Teil 2, der "Testkörper", der axialen Schnittdarstellung
in 3 mit einer Vergrößerung des Details A. Dieses
Detail zeigt den im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt der Rippe 4.
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Die
Kontaktflächen
der Teile 2 und 3 weisen somit jeweils die Form
eines kreisförmigen
Kranzes mit einem mittleren Durchmesser D = 40 mm, einem Innendurchmesser
von 39,7 mm und einem Außendurchmesser
von 40,3 mm auf. Vorteilhafterweise besteht das Teil 3 aus
einem transparenten Teil, beispielsweise einer Saphirscheibe von
20 mm Dicke, um eine visuelle Überwachung
von Leckagen an der Rippe 4 durch die Öffnungen 18a, 18b zu
ermöglichen.
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Die
Rippe 4 ist ihrerseits in einem Teil 2 aus Stahl
316L mit einer Rauhigkeit Ra = 0,15 μm ausgebildet.
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Das
Gerät wird
auf einen Messvorgang vorbereitet, indem, nach der Montage der Teile 2 und 3 in
dem Gestell 15 über
dem Zylinder 5, nacheinander die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- – Belasten
des Geräts
durch Aktivieren von Klemmeinrichtungen 5, 6, 6a;
- – Zirkulierenlassen
eines Lösemittels
(Ethanol) in dem Kreislauf 21, wobei der Kreislauf ungefähr 25 cl
Ethanol und eine innere Prüfmasse,
beispielsweise Propanol in einem Massenanteil von 2% enthält;
- – Druckbeaufschlagen
des in dem Raum 1 enthaltenen Fluids (des gelösten Stoffs)
mittels der Einrichtungen 9, 10, 11, 11a.
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Das
Gerät ist
durch (nicht dargestellte) Temperaturregeleinrichtungen auf 20°C temperiert.
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Anschließend werden
regelmäßig Probenentnahmen
(in der Größenordnung
von 1 μl)
des die Kammer 23 spülenden
Lösemittels
durchgeführt,
und anschließend
wird die Menge des in dem Lösemittel enthaltenen
gelösten
Stoffs entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren der inneren
Prüfmasse
dosiert, dessen Genauigkeit besser als 5% ist.
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Die
gaschromatographische Analyse der Probe erfolgt mittels einer Kapillarsäule und
einem Flammenionisationsdetektor, wie weiter oben bereits erwähnt. Dieses
Analyseverfahren weist eine sehr gute Empfindlichkeit und eine gute
Linearität
auf. Es erfordert jedoch die Verwendung von entflammbaren Mischungen.
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Die
durchgeführten
Messungen ermöglichen das
Erstellen der Diagramme der 4, 5 und 6,
die jeweils zeigen:
- – die Entwicklung der Masse m des gelösten Stoffs in Abhängigkeit
von der Zeit, bei einer Klemmkraft 10000 N, für verschiedene Druckwerte des
gelösten
Stoffs,
- – die
Entwicklung der spezifischen Leckmenge Q in Abhängigkeit von diesem Druck,
für verschiedene
Werte der aufgebrachten Klemmkraft (von 10 kN bis 30 kN), und
- – die
Entwicklung der spezifischen Menge Q in Abhängigkeit von der ausgeübten Klemmkraft.
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Es
ist festzustellen, dass die Masse des gelösten Stoffs m, die in das Lösemittel gelangt, linear über die
Zeit (4) und mit dem Druck des gelösten Stoffs (5)
zunimmt, und nicht-linear abnimmt, wenn die Klemmkraft steigt (6).
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Die
Diagramme der 4 bis 6 ermöglichen
somit die Messung der Leistung einer realen Dichtvorrichtung mit
Hilfe der Teile 2 und 3 und des erfindungsgemäßen Geräts, wobei
Letzteres die Merkmale der Einfachheit, der Genauigkeit und der geringen
Kosten aufweist, welche in der Einleitung der vorlieg4enden Beschreibung
erwähnt
wurden. Es ist ferner universell, da es sowohl für Flüssigkeiten, als auch für Gase einsetzbar
ist.
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Im
Falle eines Gases kann die Anordnung aus Kolben 9 und Zylinder 10 entfallen,
da das Gas die Einrichtungen 11, 11a ersetzen
kann, welche, falls es sich bei dem in dem Raum 1 enthaltenen
Fluid um eine Flüssigkeit
handelt, das Druckbeaufschlagen dieser Flüssigkeit bewirken.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt,
das lediglich zu Beispielzwecken angeführt wurde.
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Die
Teile 2 und 3 der mittels des erfindungsgemäßen Gerätes gemessenen
Dichtvorrichtung können
daher je nach der beabsichtigten Anwendung andere als die dargestellten
Formen aufweisen, beispielsweise die Form einer Anordnung aus einer Dichtung
und einem Flansch oder die Form eines Teils, das eine nachgebildete
Dichtung aufweist, die gegen ein anderes, glattes Teil gesetzt ist.