Um einen Druckabfall in eine Leckrate am Kabeleintritt umzurechnen, multiplizieren Sie das effektive Gasvolumen mit dem Druckabfall, teilen Sie durch die Messdauer und beziehen Sie das Ergebnis anschließend auf den Referenzdruck und die Referenztemperatur. Zuerst trenne ich den Gasverlust von Abkühlung, Volumenänderungen und Leckagen der Prüfvorrichtung. Sind diese Einflüsse kontrolliert, ergibt sich die mittlere Gasverlustrate für die geprüfte Baugruppe und die Prüfbedingungen.
Das folgende Rechenbeispiel wandelt einen Abfall von 0,2 kPa in einem Volumen von 0,500 L über 60 Sekunden bei den angegebenen Referenzbedingungen in 1,0 mL/min um. Eine zweite Rechnung zeigt, warum eine Abkühlung um nur 0,3 °C einen ähnlichen Druckabfall verursachen kann.
Wichtige Punkte
- Beziehen Sie die angeschlossene Prüfvorrichtung und die Leitungen in das effektive Gasvolumen ein.
- Stellen Sie sicher, dass die Gastemperatur während des Messintervalls stabil ist.
- Unterscheiden Sie zwischen Druckabfall, Druck-Volumen-Durchsatz und Referenzvolumenstrom.
- Geben Sie Gas, Prüfbedingungen und Referenzbedingungen zusammen mit dem Ergebnis an.
- Wenden Sie den Abnahmegrenzwert der Baugruppe und die Entscheidungsregel auf dieselbe Bezugsgröße an.
Leckrate ist die Fluidmenge, die unter festgelegten Bedingungen pro Zeiteinheit eine definierte Grenze durchströmt. Zuerst ziehe ich diese Grenze um den verbundenen Gasraum. Eine vollständige Prüfung eines Anschlusskastens umfasst die Deckeldichtung und alle angeschlossenen Einführungen. Eine Prüfvorrichtung, die eine einzelne Kabelverschraubung isoliert, erfasst eine kleinere Baugruppe. Das Leckraten-Glossar erläutert die Messgröße und die zugehörigen Angabebedingungen.
Bestimmen Sie zuerst das Gas, die Richtung der Druckdifferenz und die in der Prüfung enthaltenen Schnittstellen. Wird das gesamte Gehäuse geprüft, können die Gehäusedeckeldichtung und weitere Einführungen zum Ergebnis beitragen. Der Leitfaden zur Dichtheit von Anschlusskästen erläutert, wie diese Prüfgrenzen ermittelt werden.
Effektives Gasvolumen ist der zusammenhängende Gasraum, den die Druckmessung abbildet, einschließlich Probenhohlraum, Prüfvorrichtung und Leitungen innerhalb der Isolationsgrenze. Festkörper verdrängen Gas, während Anschlussleitungen zusätzliches Volumen einbringen. Bestimmen Sie dieses Volumen nach dem für den Prüfstand festgelegten Verfahren; verwenden Sie ein kalibriertes Ersatzvolumen, wenn es das Messverfahren verlangt. Die Erläuterung zur Leckkalibrierung von Cosmo Instruments beschreibt, warum das äquivalente Innenvolumen benötigt wird, um eine Druckantwort in Leckrateneinheiten umzurechnen.
Volumenfehler wirken sich unmittelbar auf diese Umrechnung aus. Beträgt das tatsächliche effektive Volumen 0,5 L, Sie geben jedoch 0,4 L ein, liegt die berechnete Rate bei demselben aufgezeichneten Druckabfall um 20% zu niedrig. Deshalb muss das Volumen vor der Umrechnung korrekt ermittelt werden.
Bevor ich den Druckabfall umrechne, vergleiche ich den Druckverlauf mit der Aufzeichnung der Gastemperatur. Abkühlung senkt den Druck, auch wenn die Gasmenge gleich bleibt. Die ideale Gasgleichung der NASA verknüpft Absolutdruck, Volumen, Gasmenge und absolute Temperatur. Bei konstanter Gasmenge und konstantem Volumen ändert sich der Druck proportional zur Temperatur in Kelvin.
Betrachten wir ein separates, leckfreies Beispiel. Das Gas startet bei einem Absolutdruck von 200 kPa und 20°C, entsprechend 293.15 K. Die Berechnung verwendet die Kelvin-Skala; die Temperaturumrechnung des NIST addiert 273.15 zu einem Celsiuswert. Kühlt das Gas bei konstantem Volumen nur um 0,3°C ab, beträgt der vorhergesagte Druckabfall:
Das ist etwas mehr als der Druckverlust von 0,2 kPa im nachfolgenden Leckagebeispiel. Würde der gesamte Abfall als entweichendes Gas interpretiert, ergäbe sich ein falsches Leckageergebnis.
Angenommen, ein hypothetisches Messbudget lässt unter diesen Ausgangsbedingungen höchstens 0,02 kPa scheinbaren Druckverlust durch Abkühlung zu. Aus der Gasbeziehung bei konstantem Volumen ergibt sich eine zulässige Temperaturänderung von 293.15 × 0.02 ÷ 200 = 0.029315 K, also etwa 0,029 °C. Ich nutze eine solche Rechnung, um die erforderliche Temperaturkontrolle mit der nachgewiesenen Leistungsfähigkeit des Prüfstands zu vergleichen. Legen Sie den tatsächlichen Anteil im Messunsicherheitsbudget fest; die hier genannten 0,02 kPa dienen nur als Beispiel.
Die beiden hypothetischen Fälle beginnen mit denselben Bedingungen. Im ersten geht Gas bei stabiler Temperatur verloren; im zweiten bleibt die Gasmenge konstant und das Gas kühlt ab.
Beim Befüllen können sich Gas und Prüfling auf unterschiedlichen Temperaturen befinden. Ich beginne das Erfassungsintervall, sobald die Stabilisierungskriterien des Verfahrens erfüllt sind, und verwende dafür die zum Prüfstand passenden Temperaturmessungen. Die Raumtemperatur allein erfasst möglicherweise keine fortlaufenden Änderungen im Prüfling. Auch ein mechanisch nachgiebiges Gehäuse oder eine Prüfvorrichtung kann sich nach dem Befüllen ausdehnen, dadurch das Gasvolumen vergrößern und den Druck senken. Diese Effekte sind besonders wichtig, wenn der gemessene Druckabfall klein ist.
NASA-STD-7012A, Abschnitt 5.5, berücksichtigt in ihrem Druckabfallverfahren für NASA-Hardware den Innen- und Umgebungsdruck, die Temperatur, das Probenvolumen und das Volumen der Prüfvorrichtung. Diese Größen bieten eine nützliche Messreferenz. Verwenden Sie für eine Kabeleinführung die Stabilisierungskriterien, den Prüfdruck und den Abnahmegrenzwert, die für die tatsächliche Baugruppe und den Prüfstand festgelegt wurden.
Zuerst berechne ich den Druck-Volumen-Durchsatz und rechne ihn anschließend bei ausdrücklich angegebenen Referenzbedingungen in einen Volumenstrom um. Das folgende Modell behandelt den Druckverlust als Verlust eines idealen Gases bei konstantem effektivem Volumen und konstanter Gastemperatur. Das Messverfahren kontrolliert Leckagen der Prüfvorrichtung und andere Hintergrundeffekte. Verwenden Sie diese Formel für das stabilisierte Intervall, auf das die Annahmen zutreffen.
Diese hypothetischen Werte für eine Luftprüfung beschreiben ein einzelnes stabilisiertes Messintervall. An ihnen lassen sich Einheiten und Rechenweg nachvollziehen; wählen Sie Prüfdruck und Prüfintervall für die tatsächliche Prüfung nach dem Prüfverfahren der Baugruppe:
| Eingangsgröße | Symbol | Angenommener Wert |
|---|---|---|
| Effektives verbundenes Gasvolumen | 0.500 L | |
| Absolutdruck zu Beginn | 200.0 kPa Absolutdruck | |
| Absolutdruck am Ende | 199.8 kPa Absolutdruck | |
| Erfassungsintervall | 60 s | |
| Konstante Temperatur des Prüfgases | 20°C = 293.15 K | |
| Absoluter Referenzdruck | 100 kPa Absolutdruck | |
| Referenztemperatur | 20°C = 293.15 K |
Der gemessene Druckverlust ist und beträgt 0,2 kPa. Der Referenzdruck von 100 kPa legt das für die Berichterstattung verwendete Volumen fest; er ist weder der Prüfdruck noch die Druckdifferenz über der Dichtung. Erfassen Sie den Außendruck getrennt, um diese Prüfdruckdifferenz zu beschreiben.
Druck-Volumen-Durchsatz: die pro Zeiteinheit verlorene Druck-Volumen-Größe, hier angegeben bei der Temperatur des Prüfgases. Bei konstantem Volumen und konstanter Temperatur beträgt ihr mittlerer Wert:
Bei Litern und Kilopascal ist die Zahlenumrechnung einfach: 1 kPa·L entspricht 1 Pa·m³. Das folgt aus 1 kPa = 1000 Pa und 1 L = 0.001 m³; die Literumrechnung ist in den NIST-Umrechnungstabellen zum SI aufgeführt.
Die Gastemperatur gehört zu dieser Größe. Sie ist das Produkt aus Druck und Volumen je Zeiteinheit, kein Volumenstrom in L/min.
Referenzvolumenstrom: die pro Zeiteinheit verlorene Gasmenge, ausgedrückt als Volumen, das sie bei einem festgelegten Druck und einer festgelegten Temperatur einnehmen würde. Aus der idealen Gasbeziehung folgt:
Für diese Gleichung setzen Sie das Volumen in L, beide Druckterme in kPa, die Temperaturen in K und das Intervall in Sekunden ein. Der Faktor 60 rechnet das Ergebnis in L/min um. Das Temperaturverhältnis verwendet absolute Temperaturen, auch wenn ein Messgerät oder Rechner die Eingabe in °C verlangt.
Für das angegebene Beispiel gilt:
Ich gebe das Ergebnis als 1,0 mL/min Luft bei einem Absolutdruck von 100 kPa und einer Referenztemperatur von 20°C an, gemittelt über 60 Sekunden. Die Prüfung begann bei 200,0 kPa Absolutdruck und einer Gastemperatur von 20 °C. Halten Sie auch den Außendruck fest, da er die Druckdifferenz bestimmt, die das Gas durch die Grenze treibt. Messunsicherheit und maßgeblicher Grenzwert vervollständigen die Abnahmeentscheidung.
Das Werkzeug gibt außerdem 0,2 kPa/min als mittlere Druckabfallrate aus. Dieser Wert beschreibt den Druckverlauf; 1,0 mL/min beschreibt einen gleichwertigen Gasvolumenverlust unter den gewählten Referenzbedingungen.
Ein Vergleich zweier Leckraten beginnt damit, Größe, Einheit und Referenzbedingungen nebeneinanderzustellen. Die Zahlen sind nur dann vergleichbar, wenn sie dieselbe Größe unter übereinstimmenden Bedingungen beschreiben.
| Angegebene Größe | Beispieleinheit | Zusätzlich erforderliche Angaben |
|---|---|---|
| Druckabfallrate | kPa/min | Effektives Volumen, Gastemperatur, Druckbedingungen und Zeitintervall |
| Referenzvolumenstrom | mL/min oder L/min | Absoluter Referenzdruck und Referenztemperatur, Gasart und Prüfbedingungen |
| Druck-Volumen-Durchsatz | Pa·m³/s | Temperatur, auf die der Durchsatz bezogen ist, Gasart und Prüfbedingungen |
| Massenstrom | kg/s | Gasart und Prüfbedingungen; eine gasespezifische Umrechnung, wenn vom Volumenstrom ausgegangen wird |
Bei demselben Gasverlust im Rechenbeispiel führt allein die Änderung des Referenzdrucks für die Berichterstattung von 100 auf 101,325 kPa bei 20°C zu etwa 0,987 mL/min. Am Prüfling hat sich nichts verbessert. Geändert hat sich das entsprechende Berichtsvolumen.
Neben jedem als „Standard-“ oder „Normvolumenstrom“ bezeichneten Wert gebe ich Referenzdruck und Referenztemperatur an. Der NIST-Leckkalibrierungsdienst, Anhang A, erläutert die unterschiedlichen Gasdurchflussgrößen und die verschiedenen Temperaturen, die für Standardbedingungen verwendet werden. Eine Änderung des Berichtsbezugs skaliert das Volumen, das einem bestimmten Gasverlust entspricht. Eine Änderung der tatsächlichen Druckdifferenz über einer Dichtung kann den Gasverlust selbst verändern; dafür ist eine entsprechende Prüfung oder ein validiertes Strömungsmodell erforderlich.
Verwenden Sie für Anfangs- und Endwerte des Rechners sowie für den Referenzdruck Absolutdruckwerte. Die Differenz zweier Überdruckwerte entspricht nur dann der entsprechenden Absolutdruckdifferenz, wenn sich der atmosphärische Bezugsdruck nicht geändert hat. Auch bei der Prüfung des zuvor beschriebenen Temperatureffekts ist der Absolutdruck maßgeblich.
Der Druckabfall misst die Gesamtreaktion des verbundenen Gasraums. Ich nutze den zeitlichen Verlauf, die Temperaturaufzeichnung und die Kontrollen der Prüfvorrichtung gemeinsam, um die sinnvollste nächste Prüfung zu bestimmen.
Ein durchgehender Spalt an der Kabeldichtung, der Plattendichtung oder der Prüfvorrichtung kann Gas entweichen lassen. Bei der Permeation tritt Gas durch intaktes Material; die NIST-Studie zu Permeationsleckstandards unterscheidet eine Strömung durch einen physikalischen Kanal von der Diffusion durch eine Materialbarriere. Der NIST-Leckkalibrierungsdienst nennt außerdem Ausgasung als Einfluss auf die Druckmessung. Nach der Gasbilanz kann Aufnahme in Materialien den Druck senken, während Freisetzung in den Messraum einen nach außen gerichteten Verlust teilweise verdecken kann. Der Leitfaden zur Gas- und Dampfpermeation durch Dichtungen von Kabelverschraubungen erläutert diese Unterschiede zwischen Werkstoffen und Schnittstellen an Kabeleinführungen.
Die folgenden beobachteten Verläufe helfen bei der Untersuchung. Jeder Verlauf weist auf eine Prüfung hin; die zugehörige Kontrolle oder Temperaturmessung zeigt, ob die Erklärung zutrifft.
| Beobachteter Verlauf | Zu prüfender Beitrag | Sinnvolle nächste Prüfung |
|---|---|---|
| Der Druck fällt direkt nach dem Befüllen am schnellsten; anschließend nimmt die Steigung ab | Abkühlung des Gases oder Setzen von Prüfvorrichtung/Prüfling | Vergleichen Sie den Temperaturverlauf und wiederholen Sie die Prüfung gemäß den Stabilisierungskriterien des Verfahrens |
| Eine verschlossene Prüfvorrichtung zeigt einen ähnlichen fallenden Verlauf | Dichtungen, Ventile, Leitungen oder Instrumentenhintergrund der Prüfvorrichtung | Klären und berücksichtigen Sie die Reaktion der Prüfvorrichtung, bevor Sie sie der Kabeleinführung zuordnen |
| Der Druck fällt weiter, nachdem sich Temperatur und Volumen stabilisiert haben | Gasaustritt an Verbindungen oder Permeation durch das Material | Trennen Sie die Wege mit der vorgeschriebenen Lokalisierungs- oder Kontrollprüfung |
| Der Druck steigt oder der erwartete Abfall wird kleiner | Erwärmung oder Gasfreisetzung in den gemessenen Raum | Vergleichen Sie Temperatur und Konditionierungsverlauf und prüfen Sie anschließend die Hintergrundreaktion |
Wenn ein Verfahren eine Hintergrundkorrektur vorsieht, verwende ich gemessene, wiederholbare Kontrollen. Eine Änderung der Reaktion einer verschlossenen Prüfvorrichtung kann ein Problem am Prüfstand erkennen lassen, bevor eine Kabeldichtung ersetzt wird. Wenn mehrere Wege in der Messung zusammengefasst bleiben, ordnen Sie das Ergebnis der gesamten geprüften Grenze zu. So lassen sich Baugruppen vergleichen, ohne den Gesamtgasverlust mit einer bestimmten undichten Verbindung gleichzusetzen.
Um die berechneten 1,0 mL/min zu beurteilen, vergleichen Sie den Wert unter übereinstimmenden Bedingungen mit dem für die Baugruppe geltenden Grenzwert. Gas, Druckrichtung, Prüfdruck, Temperatur, Konditionierung und Berichtsbezug müssen gleich sein. Ich prüfe auch das Verfahren und die einbezogenen Schnittstellen. Ein Ergebnis für einen vollständigen Kasten umfasst Wege, die eine Prüfvorrichtung für nur eine Einführung ausschließen kann; Grenzwert und Grenze müssen sich daher auf dieselbe Baugruppe beziehen.
Eine Entscheidungsregel ist das vereinbarte Verfahren, mit dem die Messunsicherheit bei der Beurteilung der Einhaltung eines Grenzwerts berücksichtigt wird. ILAC-G8:09/2019 erläutert diesen Zusammenhang und die Anwendung von Annahmegrenzen. Wenden Sie die für den Auftrag festgelegte Regel an und vereinbaren Sie erforderliche Auswahlkriterien vor der Messung. Dadurch lässt sich ein grenznahes Ergebnis einheitlich interpretieren.
Halten Sie die folgenden Angaben zusammen, damit die Berechnung nachvollziehbar bleibt:
Prüfen Sie bei einer Nullanzeige die Auflösung des Verfahrens und dessen nachgewiesene Nachweisfähigkeit. Ein Verlust unterhalb dieser Fähigkeit kann unaufgelöst bleiben; ausgleichende Hintergrundeffekte können den scheinbaren Abfall verringern. Geben Sie das mit dem Verfahren unterscheidbare Ergebnis oder die geltende Nachweisgrenze gemäß der Berichtskonvention des Verfahrens an.
IEC 60529 klassifiziert den Schutz von Gehäusen gegen das Eindringen anhand der jeweils geltenden Prüfungen. Ordnen Sie das Gasleckageergebnis und die IP-Bewertung ihren jeweiligen Prüfverfahren zu. Eine Produktionsprüfung auf Gasleckage kann die Inspektion unterstützen, wenn ihr Zusammenhang mit der geforderten Leistung für diese Baugruppe validiert wurde.
Ich wandle einen Druckabfallverlauf in eine Leckrate um, indem ich zuerst das verbundene Volumen festlege und Temperatur, Volumenstabilität und Hintergrund der Prüfvorrichtung prüfe. Danach berechne ich den Gasverlust und nenne die Referenzbedingungen. Im Beispiel beträgt das Ergebnis 1,0 mL/min bei 100 kPa Absolutdruck und 20 °C; der separate Kühlungsfall zeigt, warum die Temperatur bei der Interpretation berücksichtigt werden muss.
Verwenden Sie beim Vergleich des Ergebnisses mit einem Grenzwert der Baugruppe dieselbe Grenze, dasselbe Gas, dieselben Druckbedingungen und dieselbe Berichtsgrundlage. Wenden Sie die vereinbarte Entscheidungsregel für die Unsicherheit an und dokumentieren Sie das Ergebnis zusammen mit der geprüften Konfiguration, damit es für spätere Inspektionen oder die Fehlersuche nutzbar bleibt.
Eine IP-Schutzart wird durch die jeweils geltenden Prüfungen gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser bestimmt. Beim Druckabfall wird das Gasverhalten unter den Bedingungen der jeweiligen Prüfung gemessen. Das Verfahren kann die Produktionskontrolle unterstützen, wenn eine Korrelation für die Baugruppe validiert wurde; ein Wert in mL/min lässt sich jedoch nicht allgemein in einen IP-Code umrechnen.
Verwenden Sie die vom Rechner verlangten absoluten Anfangs- und Enddrücke. Rechnen Sie Relativdruckmesswerte mit dem jeweils geltenden Atmosphärendruck um. Zwei Relativdruckmesswerte ergeben dieselbe Druckdifferenz wie absolute Messwerte, solange ihr atmosphärischer Bezug konstant bleibt. Auch der Referenzdruck und der für thermische Berechnungen verwendete Druck müssen Absolutdrücke sein.
Eine Anzeige von null kann eine Änderung darstellen, die unter der Auflösung oder Nachweisfähigkeit des Verfahrens liegt. Temperatur- oder Hintergrundeffekte können ebenfalls einen Teil des Verlusts ausgleichen. Ich gebe das mit dem Verfahren unterscheidbare Ergebnis oder die Nachweisgrenze zusammen mit den Prüfbedingungen an und wende anschließend den festgelegten Grenzwert und die Entscheidungsregel an.
Der Druckmesswert bildet alle miteinander verbundenen Gasräume innerhalb der Isolationsgrenze ab. Angeschlossene Leitungen und Hohlräume der Vorrichtung tragen zur Gasmenge bei, die einem bestimmten Druckabfall entspricht. Verwenden Sie das effektive oder das vom Verfahren verlangte kalibrierte Ersatzvolumen einschließlich dieser verbundenen Räume.