DE10103658A1

DE10103658A1 - Device and method for measuring thermal conductivity

Info

Publication number: DE10103658A1
Application number: DE2001103658
Authority: DE
Inventors: Michael Arndt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-01-27
Filing date: 2001-01-27
Publication date: 2002-08-22
Also published as: WO2002059588A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit Mitteln (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung, Mitteln (12) zum Bereitstellen eines Messstroms und Mitteln (18) zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls, wobei die Mittel (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung stellen und Mittel (14) zum Vergleichen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls mit einer Schwellenspannung und zum Erzeugen einer sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit.The invention relates to a device for measuring a thermal conductivity with means (10) for providing a heating voltage, means (12) for providing a measuring current and means (18) for generating a temperature-dependent voltage drop, the means (10) for providing a heating voltage Provide heating voltage that changes over time, and means (14) are provided for comparing the temperature-dependent voltage drop with a threshold voltage and for generating an output voltage that changes over time. The invention further relates to a method for measuring thermal conductivity.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit Mitteln zum Bereitstellen einer Heizspannung, Mitteln zum Bereitstellen eines Messstroms und Mitteln zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Span nungsabfalls. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit den Schritten: Bereitstellen einer Heizspannung, Bereitstellen eines Messstroms und Erzeugen eines temperaturabhängigen Span nungsabfalls.The invention relates to a device for measuring a Thermal conductivity with means for providing a Heating voltage, means for providing a measuring current and means for generating a temperature dependent chip voltage trash. The invention further relates to a method to measure thermal conductivity with the steps: Providing a heating voltage, providing one Measuring current and generation of a temperature-dependent chip voltage trash.

State of the art

Gattungsgemäße Vorrichtungen und gattungsgemäße Verfahren werden beispielsweise zur Wärmeleitfähigkeitsmessung im Rahmen der Gasanalyse eingesetzt. Die Wärmeleitfähig keitsmessung wird vor allem für quantitative Analysen zweikomponentiger Gasgemische eingesetzt. Zum Zwecke der quantitativen Analyse wird die Mischwärmeleitfähigkeit bei konstanter Gastemperatur gemessen. Besonders gut eignet sich die Wärmeleitfähigkeitsmessung zur Bestimmung von Konzentrationen von Wasserstoff und Helium in einem Gemisch mit anderen Gasen, wie zum Beispiel Luft oder Stickstoff, da Wasserstoff und Helium jeweils eine her vorstechend hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Wärmeleit fähigkeiten λ typischer Gase sind in Tabelle 1 aufge führt.Generic devices and generic methods are used, for example, to measure thermal conductivity in Used as part of the gas analysis. The heat conductive measurement is mainly used for quantitative analyzes two-component gas mixtures used. For the purpose of quantitative analysis is the mixed heat conductivity measured at constant gas temperature. Particularly good the thermal conductivity measurement is suitable for the determination of concentrations of hydrogen and helium in one Mixture with other gases, such as air or Nitrogen, since hydrogen and helium each produce one have outstandingly high thermal conductivity. Thermal Conductivity Capabilities λ of typical gases are listed in Table 1 leads.

Tabelle 1 Table 1

Anhand von Fig. 1 werden die Prinzipien der Wärmeleitfä higkeitsmessung erläutert. Um die Wärmeleitfähigkeit λ eines Gases zu messen, wird ein Körper auf eine Tempera tur T_K gebracht, welche größer ist, als die Temperatur des den Körper umgebenden Gases. Das Gas befindet sich auf Umgebungstemperatur T_U (T_K < T_U). Eine Heizleistung P_H wird benötigt, um die Temperaturdifferenz Δ_T = T_K - T_U konstant zu halten. Diese Heizleistung P_H ist direkt proportional zur Wärmeleitfähigkeit λ des Gases:
The principles of thermal conductivity measurement are explained with reference to FIG. 1. In order to measure the thermal conductivity λ of a gas, a body is brought to a temperature T _K which is greater than the temperature of the gas surrounding the body. The gas is at ambient temperature T _U (T _K <T _U ). A heating power P _H is required to keep the temperature difference Δ _T = T _K - T _U constant. This heating power P _H is directly proportional to the thermal conductivity λ of the gas:

P_H = KλΔT.P _H = KλΔT.

In dieser Gleichung wird die Geometrie der Anordnung durch den konstanten Geometriefaktor K beschrieben.In this equation, the geometry of the arrangement described by the constant geometry factor K.

Fig. 2 zeigt einen mikromechanischen Wärmeleitfähig keitssensor auf Siliziumbasis. Derartige Sensoren werden zunehmend verwendet und weiterentwickelt, insbesondere, da sie aufgrund der Miniaturisierung einen geringen Leis tungsverbrauch haben und eine kurze Ansprechzeit aufwei sen. Fig. 2 zeigt im unteren Teil eine Draufsicht auf eine derartige Anordnung. Im oberen Teil ist eine Schnit tansicht entlang der im unteren mit Pfeilen und einer Strich-Punkt-Linie gekennzeichneten Schnittebene darge stellt. Bei diesen Sensoren sind ein oder mehrere tempe raturabhängige elektrische Widerstände 124 auf einer thermisch isolierten Membran 122 aufgebracht. Ein weite rer temperaturabhängiger Widerstand 126 ist außerhalb der Membran 122 aufgebracht; dieser wird für die Messung der Umgebungstemperatur T_U verwendet. Über die elektrischen Anschlüsse 128 wird den temperaturabhängigen Widerständen 124 eine erhöhte Temperatur vermittelt, so dass die An ordnung auf der Membran 122 als T_K-Sensor wirkt. Für die Ansteuerung der Sensoren werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Entweder wird die Temperaturdifferenz Δ_T = T_K - T_U zwischen Membran und. umgebendem Gas konstant gehal ten, und die dafür benötigte Heizleistung P_H wird gemes sen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Heizleis tung konstant zu halten; in diesem Fall wird die Tempera turdifferenz gemessen. Bei beiden Verfahren handelt es sich um statische Verfahren. Die Veränderung des dynami schen thermischen Verhaltens des Sensors wird nicht be rücksichtigt. Fig. 2 shows a micromechanical thermal conductivity sensor based on silicon. Such sensors are increasingly being used and further developed, particularly since they have low power consumption due to miniaturization and have a short response time. Fig. 2 shows a plan view of such an arrangement in the lower part. In the upper part there is a sectional view along the sectional plane marked with arrows and a dash-dot line in the lower part. In these sensors, one or more temperature-dependent electrical resistors 124 are applied to a thermally insulated membrane 122 . A further temperature-dependent resistor 126 is applied outside the membrane 122 ; this is used for the measurement of the ambient temperature T _U. Via the electrical connections 128 , the temperature-dependent resistors 124 are given an increased temperature, so that the arrangement on the membrane 122 acts as a T _K sensor. Various methods are used to control the sensors. Either the temperature difference Δ _T = T _K - T _U between the membrane and. surrounding gas constant th, and the required heating power P _H is measured. Another possibility is to keep the heating power constant; in this case the temperature difference is measured. Both methods are static methods. The change in the dynamic thermal behavior of the sensor is not taken into account.

Bei den statischen Verfahren ist die Messung kleiner Widerstandsänderungen erforderlich. Eine Messung von Widerständen erfolgt durch die Messung von Spannungen oder Strömen. Sollen nun diese wärmeleitfähigkeitsabhän gigen Spannungs- oder Stromsignale digital weiterverar beitet werden, so müssen sie nach einer Verstärkung in digitale Signale umgewandelt werden. Dies ist aufwendig, störanfällig und kostenintensiv. The measurement is smaller with the static methods Resistance changes required. A measurement of Resistance occurs through the measurement of voltages or pouring. Now these thermal conductivity dependents digital voltage or current signals be processed, so after reinforcement in digital signals are converted. This is expensive prone to failure and cost-intensive.

Ein weiterer Nachteil der statischen Messverfahren be steht in dem relativ hohen Leistungsbedarf.Another disadvantage of the static measurement method be stands in the relatively high power requirement.

Weiterhin ist es nachteilig, dass bei statischen Messun gen für die Konzentrationsbestimmung eines Gasgemisches zumeist bei einer oder mehreren bestimmten Temperaturdif ferenzen gearbeitet wird. Es liegt somit keine kontinu ierliche Information bezüglich der Wärmeleitfähigkeit in einem breiten Temperaturbereich vor.It is also disadvantageous that with static measurements conditions for determining the concentration of a gas mixture mostly at one or more specific temperature differences is being worked on. There is therefore no continuity Information about thermal conductivity in a wide temperature range.

Advantages of the invention

Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch auf, dass die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung stellen und dass Mittel zum Vergleichen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls mit einer Schwel lenspannung und zum Erzeugen einer sich zeitlich verän dernden Ausgangsspannung vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, statt einer aufwendigen und störanfälli gen Messung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Span nungen und Ströme, die Wärmeleitfähigkeit auf der Grund lage einer Zeitmessung zu bestimmen. Die Wärmeleitfähig keit lässt sich aus der zeitlichen Charakteristik der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung bestimmen.The invention is based on the generic device in that the means to provide a Heating voltage is a heating voltage that changes over time provide and that means to compare the temperature-dependent voltage drop with a smolder voltage and to generate a change in time derenden output voltage are provided. In this way it is possible instead of an elaborate and prone to failure Measurement of analog chip dependent on thermal conductivity voltages and currents, the thermal conductivity at the bottom to determine a time measurement. The heat conductive can be determined from the temporal characteristics of the determine the time-varying output voltage.

Die Erfindung ist besonders dadurch vorteilhaft, dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der tempera turabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspan nung liegt, und dass die Ausgangsspannung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt. Bestimmt man in Kenntnis der zeitlichen Veränderung der Heizspannung die Zeiten, zu welchen die Ausgangsspannung den einen oder den anderen Wert hat, so lässt sich hieraus ein Rück schluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases ziehen.The invention is particularly advantageous in that the Output voltage has a first value when the tempera voltage drop below the threshold span voltage, and that the output voltage is a second Has value if the temperature-dependent voltage drop lies above the threshold voltage. One determines in Knowledge of the temporal change in the heating voltage Times when the output voltage one or the other has the other value, so a return can be made conclude on the thermal conductivity of the ambient gas pull.

Es ist vorteilhaft, wenn die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung eine periodisch gepulste Heizspannung zur Verfügung stellen. Durch die gepulste Heizspannung stehen definierte Referenzzeitpunkte zur Verfügung, wel che für das Ermitteln des zeitlichen Verlaufs des Span nungsabfalls verwendet werden können. Ferner wird auf grund der Verwendung einer gepulsten Ansteuerung der Leistungsbedarf des Sensors verringert. Dies ist vor allem für Überwachungsaufgaben von Vorteil.It is advantageous if the means to provide a heating voltage is a periodically pulsed heating voltage provide. Due to the pulsed heating voltage there are defined reference times available, wel che for determining the time course of the chip waste can be used. Furthermore, on due to the use of a pulsed control of the Power requirement of the sensor reduced. This is before especially advantageous for monitoring tasks.

Bevorzugt sind Mittel zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen. Da es auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich ist, analoge Spannungen beziehungsweise analoge Ströme zu messen, sind aufwendige Analog-Digital- Wandler entbehrlich. Vielmehr ist es möglich, die Aus gangsspannung direkt digital auszuwerten.Means for digital evaluation of the data are preferred provided time-varying output voltage. Because it no longer based on the present invention is required, analog voltages respectively Measuring analog currents are complex analog-digital Transducer unnecessary. Rather, it is possible to get out evaluate the digital output voltage directly.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Mittel zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung einen Zähler aufweisen und wenn ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausgewertet wird. Es werden somit die Zeiträume gemessen, während derer sich die Ausgangsspan nung auf ihren unterschiedlichen Werten befindet. Hieraus lassen sich dann die entsprechenden Wärmeleitfähigkeiten berechnen.It is advantageous if the means of digital Evaluation of the time-varying output voltage have a counter and if a duty cycle of Output voltage is evaluated. It will be the Periods measured during which the initial span on their different values. From this then the appropriate thermal conductivities to calculate.

Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Erzeugen eines tem peraturabhängigen Spannungsabfalls einen temperaturabhän gigen Widerstand. Bei temperaturabhängigen Widerständen hängt der Spannungsabfall bei gegebenem durch den Wider stand fließenden Strom von der Temperatur ab, so dass der Spannungsabfall ein direktes Maß für die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes ist.Preferably, the means for generating a tem a temperature-dependent voltage drop resistance. With temperature-dependent resistors the voltage drop for a given depends on the cons flowing current stood out from the temperature, so the Voltage drop is a direct measure of the temperature of the temperature-dependent resistance.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der tempera turabhängige Widerstand ein Platinwiderstand ist. Platin widerstände zeigen eine geeignete Variation des Wider standes in Temperaturbereichen, welche für viele Anwen dungen interessant sind.It has proven advantageous if the tempera is a platinum resistor. platinum resistors show a suitable variation of the resist stand in temperature ranges, which for many applications are interesting.

Es ist nützlich, dass die Mittel zum Bereitstellen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls auf einer Membran angeordnet sind. Eine solche Membran hat aufgrund ihrer geringen Masse eine vergleichsweise geringe Wärmekapazi tät, so dass die Anordnung ein gutes Ansprechverhalten aufweist.It is useful that the means to provide one temperature-dependent voltage drop on a membrane are arranged. Such a membrane has due to its low mass a comparatively low heat capacity act so that the arrangement has good responsiveness having.

Nützlicherweise wirken die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung mit einem Heizwiderstand zusammen. Dies ist eine besonders einfache Weise, eine sich zeitlich verän dernde Heizleistung zur Verfügung zu stellen.The means for providing one act useful Heating voltage together with a heating resistor. This is a particularly simple way to change one over time to provide heating power.

Dabei kann es sich unter Umständen als vorteilhaft erwei sen, dass die Mittel zum Erzeugen eines temperaturabhän gigen Spannungsabfalls und der Heizwiderstand identisch sind. Auf diese Weise erreicht man eine Integration von Funktionen in einem einzigen Bauteil, nämlich dem tempe raturabhängigen Widerstand. In diesem Fall wird bei der Messung der Membrantemperatur bei einem bekannten Heiz strom die Heizspannung über dem Heizwiderstand ausgewer tet. In diesem Fall sollte der Heizstrom während der Abkühlung der Membran allerdings nicht auf Null sinken, damit der für die Messung der Abkühlkurve erforderliche Strom zur Verfügung steht.It can prove to be advantageous under certain circumstances that the means for generating a temperature dependent current voltage drop and the heating resistor are identical are. In this way an integration of Functions in a single component, namely the tempe dependent resistance. In this case, the Measurement of the membrane temperature with a known heater current selected the heating voltage across the heating resistor tet. In this case, the heating current during the Cooling of the membrane does not decrease to zero, thus the one required for measuring the cooling curve Electricity is available.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass eine sich zeitlich verändernde Heiz spannung zur Verfügung gestellt wird, dass der tempera turabhängige Spannungsabfall mit einer Schwellenspannung verglichen wird und dass eine sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, statt einer aufwendigen und störanfälligen Mes sung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Spannungen und Ströme, die Wärmeleitfähigkeit auf der Grundlage einer Zeitmessung zu bestimmen. Die Wärmeleitfähigkeit lässt sich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der zeitlichen Charakteristik der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung bestimmen.The invention is based on the generic method due to the fact that heating changes over time voltage is provided that the tempera voltage drop with a threshold voltage is compared and that a changing over time Output voltage is generated. That way it is possible instead of a complex and fault-prone measurement solution of analog voltages dependent on thermal conductivity and currents based on thermal conductivity to determine a time measurement. The thermal conductivity can be according to the inventive method from the temporal characteristic of the temporally changing Determine output voltage.

Das Verfahren ist besonders dadurch vorteilhaft weiterge bildet, dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspannung liegt, und dass die Ausgangsspan nung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt. Bestimmt man in Kenntnis der zeitlichen Veränderung der Heizspannung die Zeiten, zu welchen die Ausgangsspannung den einen oder den anderen Wert hat, so lässt sich hier aus ein Rückschluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Umge bungsgases ziehen.The method is particularly advantageous as a result forms that the output voltage has a first value, if the temperature dependent voltage drop below of the threshold voltage, and that the output span voltage has a second value if the temperature-dependent Voltage drop is above the threshold voltage. One determines with knowledge of the temporal change of the Heating voltage the times when the output voltage has one or the other value, so here from a conclusion on the thermal conductivity of the reverse pull exercise gas.

Nützlicherweise wird eine periodisch gepulste Heizspan nung zur Verfügung gestellt. Durch die gepulste Heizspan nung stehen definierte Referenzzeitpunkte zur Verfügung, welche für das Ermitteln des zeitlichen Verlaufs des Spannungsabfalls verwendet werden können. Ferner wird aufgrund der Verwendung einer gepulsten Ansteuerung ein Verfahren mit verringertem Leistungsbedarf zur Verfügung gestellt. Dies ist vor allem für Überwachungsaufgaben von Vorteil.A periodically pulsed heating chip is useful provided. Through the pulsed heating chip defined reference times are available, which is used to determine the time course of the Voltage drop can be used. Furthermore, due to the use of a pulsed control Processes with reduced power requirements are available posed. This is especially for surveillance tasks by Advantage.

Es ist von besonderem Vorteil, wenn die sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung digital ausgewertet wird. Da es auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich ist, analoge Spannungen beziehungsweise analoge Ströme zu messen, sind aufwendige Analog-Digital- Wandler entbehrlich. Das Verfahren bietet vielmehr die Möglichkeit, die Ausgangssignale direkt digital auszuwer ten.It is particularly advantageous if the timing is different changing output voltage is evaluated digitally. There it is not based on the present invention more is required, analog voltages respectively Measuring analog currents are complex analog-digital Transducer unnecessary. Rather, the process offers the Possibility to directly digitally evaluate the output signals th.

Das Verfahren ist dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass zur digitalen Auswertung der sich zeitlich verän dernden Ausgangsspannung ein Zähler verwendet wird und dass ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausgewertet wird. Es werden somit die Zeiträume gemessen, während derer sich die Ausgangsspannung auf ihren unterschiedli chen Werten befindet. Hieraus lassen sich dann die ent sprechenden Wärmeleitfähigkeiten berechnen. The method is advantageously further developed that for the digital evaluation of the changes in time derenden output voltage, a counter is used and that evaluated a duty cycle of the output voltage becomes. The periods are thus measured during which the output voltage on their differ values. From this the ent calculate speaking thermal conductivities.

Es ist von Vorteil, wenn der temperaturabhängige Span nungsabfall mittels eines temperaturabhängigen Widerstan des erzeugt wird.It is advantageous if the temperature-dependent chip voltage drop using a temperature-dependent resistor that is generated.

Vorzugsweise wird als temperaturabhängiger Widerstand ein Platinwiderstand verwendet. Bei temperaturabhängigen Widerständen hängt der Spannungsabfall bei gegebenem durch den Widerstand fließenden Strom von der Temperatur ab, so dass das Verfahren in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet ist, dass der Spannungsabfall als direktes Maß für die Temperatur des temperaturabhängigen Wider standes verwendet wird.A temperature-dependent resistor is preferably used Platinum resistor used. With temperature-dependent Resistances depend on the voltage drop given current flowing through resistance from temperature from, so that the method advantageously further developed is that the voltage drop as a direct Measure of the temperature of the temperature-dependent counter is used.

Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise so ausgeführt werden, dass zum Bereitstellen einer Heizleistung ein Heizwiderstand verwendet wird. Dies ist eine besonders einfache Weise, eine sich zeitlich verändernde Heizleis tung zur Verfügung zu stellen.The method can advantageously be carried out in this way be that to provide heating power Heating resistor is used. This is a special one simple way, a time-changing heating track to make available.

Mitunter kann es nützlich sein, dass als temperaturabhän giger Widerstand und als Heizwiderstand derselbe Wider stand verwendet wird. Das Verfahren bietet somit die Möglichkeit, Komponenten zu integrieren.Sometimes it can be useful that as a temperature dependent resistance and the same resistance as heating resistance stand is used. The process thus offers the Possibility to integrate components.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrun de, dass es möglich ist, anstatt einer aufwendigen und störanfälligen Messung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Spannungen und Ströme, eine Zeitmessung durchzu führen. Auf diese Weise lässt sich direkt eine digitale Auswerteelektronik einsetzen, ohne vor der digitalen Auswertung eine aufwendige Analog-Digital-Wandlung durch zuführen. Durch die Verwendung einer gepulsten Ansteuerung wird der Leistungsbedarf des Sensors verringert. Die Erfindung ermöglicht es ferner, die Empfindlichkeit der Auswerteelektronik gezielt einem interessierenden Wärme leitfähigkeitsbereich anzupassen. Somit lassen sich In formationen über die Wärmeleitfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich gewinnen.The invention is based on the surprising finding de that it is possible instead of an elaborate and fault-sensitive measurement of thermal conductivity analog voltages and currents to measure time to lead. In this way, a digital one can be created Use evaluation electronics without facing the digital one Evaluation through a complex analog-to-digital conversion respectively. By using a pulsed control the power requirement of the sensor is reduced. The The invention also enables the sensitivity of the Evaluation electronics target a heat of interest adjust conductivity range. Thus In Formations about thermal conductivity in a wide range Win temperature range.

drawings

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen bei spielhaft erläutert.The invention will now be described with reference to the accompanying Drawings based on preferred embodiments explained in a playful way.

Dabei zeigt:It shows:

Fig. 1 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Prin zips einer Wärmeleitfähigkeitsmessung; Fig. 1 is an illustration for explaining the principle of a thermal conductivity measurement;

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines mikromechanischen Wärme leitfähigkeitssensors; Fig. 2 shows the structure of a micromechanical heat conductivity sensor;

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Erfindung; Fig. 3 shows an equivalent circuit diagram to explain the invention;

Fig. 4 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin dung; Fig. 4 shows two diagrams for explaining the inven tion;

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erfin dung; Fig. 5 shows a diagram for explaining the inven tion;

Fig. 6 zeigt eine Schaltskizze und zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfindung; Fig. 6 shows a circuit diagram and two diagrams for explaining the invention;

Fig. 7 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin dung; Fig. 7 shows two diagrams for explaining the inven tion;

Fig. 8 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin dung; Fig. 8 shows two diagrams for explaining the inven tion;

Fig. 9 zeigt ein erstes Ergebnis einer Wärmeleitfähig keitsmessung; Fig. 9 shows a first result of a thermal conductivity measurement;

Fig. 10 zeigt ein zweites Ergebnis einer Wärmeleitfä higkeitsmessung; und Fig. 10 shows a second result of a thermal conductivity measurement; and

Fig. 11 zeigt ein drittes Ergebnis einer Wärmeleitfä higkeitsmessung. Fig. 11 shows a third result of a thermal conductivity measurement.

Description of the embodiments

Die Erfindung kann im Rahmen unterschiedlicher Wärmeleit fähigkeitsmessungen eingesetzt werden. Insbesondere kann sie für die Auswertung von mikromechanischen Wärmeleitfä higkeitssensorelementen verwendet werden, die getrennte Heiz- und Membrantemperaturfühlerwiderstände haben. Die Erfindung kann aber auch für Sensorelemente eingesetzt werden, die nur einen Heizwiderstand aufweisen, welcher gleichzeitig als Membrantemperaturfühler verwendet wird. In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Aus führungsformen wird die Erfindung anhand eines Sensorele mentes mit getrennten Heiz- und Membrantemperaturfühlerwiderständen ohne Beschränkung der Allgemeinheit be schrieben.The invention can be used in the context of different thermal conduction capability measurements are used. In particular, can them for the evaluation of micromechanical thermal conductivity Ability sensor elements are used, the separate Have heating and membrane temperature sensor resistances. The However, the invention can also be used for sensor elements that have only one heating resistor, which is also used as a membrane temperature sensor. In the detailed description of the Aus below The invention is based on a sensor element mentes with separate heating and membrane temperature sensor resistors without restriction of generality wrote.

In Fig. 3 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Wärmeleitfähigkeitssensors dargestellt. Ein Heizwider stand R_H wird von einem Strom I_H durchflossen, wobei an dem Heizwiderstand R_H eine von der Temperatur T_K abhängi ge Spannung U_H abfällt. Ein weiterer Widerstand R_TK wird von einem Messstrom I_MK durchflossen, wobei an dem Wider stand R_TK eine von der Temperatur T_K des Körpers abhängige Spannung U_MK abfällt. Ein dritter Widerstand R_TU wird von einem Strom I_MU durchflossen, wobei an dem Widerstand R_TU eine von der Temperatur T_U der Umgebung abhängige Span nung U_MU abfällt. Der Widerstand R_H dient somit dazu, den Körper auf die Temperatur T_K zu bringen, während der Widerstand R_TK einen temperaturabhängigen Spannungsabfall U_MK zur Verfügung stellt.An electrical equivalent circuit diagram of a thermal conductivity sensor is shown in FIG. 3. A heating resistor R _H is flowed through by a current I _H , with the heating resistor R _H depending on the temperature T _K voltage U _H drops. Another resistor R _TK is traversed by a measuring current I _MK, at which the counter was _TK R a of the body of the temperature T _K-dependent voltage drops U _MK. A current I _MU flows through a third resistor R _TU , a voltage U _MU dropping at the resistor R _TU depending on the temperature T _{U of} the environment. The resistor R _H thus serves to bring the body to the temperature T _K , while the resistor R _TK provides a temperature-dependent voltage drop U _MK .

Fig. 4 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin dung. In Fig. 4a ist ein möglicher Verlauf des Heiz stroms I_H gegen die Zeit t aufgetragen. Der Heizstrom I_H hat einen rechteckförmigen Verlauf, wobei er zum Zeit punkt t1 seinen Wert von I_H2 auf I_H1 ändert; zum Zeitpunkt t2 ändert sich der Wert wiederum auf I_H2. In Fig. 4b sind diesem Heizstrom entsprechende Temperaturverläufe T_K des erwärmten Körpers, das heißt vorzugsweise der Memb ran, in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Es sind Verläufe der Temperatur T_K in Abhängigkeit unterschiedli cher Wärmeleitfähigkeiten λ des umgebenden Mediums ge zeigt, wobei gilt λ₁ < λ₂ < λ₃. Es ist zu erkennen, dass die Membrantemperatur T_K bei hohem Heizstrom I_H2 ansteigt. Wird der Heizstrom zum Zeitpunkt t1 auf I_H1 erniedrigt, so sinkt die Membrantemperatur T_K wieder ab. Dieses Ab sinken setzt sich fort, bis der Heizstrom I_H zum Zeit punkt t2 wieder auf I_H2 erhöht wird. Der Anstieg der Membrantemperatur T_K ist umso steiler je niedriger die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases ist. Der Abfall der Membrantemperatur T_K ist umso steiler je höher die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases ist. Fig. 4 shows two diagrams for explaining the inven tion. In Fig. 4a shows a possible course of the heating current I _H is plotted against time t. The heating current I _H has a rectangular profile, changing its value from I _H2 to I _H1 at time t1; at time t2 the value changes again to I _H2 . In FIG. 4b, this heating current corresponding temperature curves T _K are of the heated body, that is preferably the Memb ran, t is plotted as a function of time. There are curves of the temperature T _K as a function of different thermal conductivities λ of the surrounding medium, where λ ₁ <λ ₂ <λ ₃ applies. It can be seen that the membrane temperature T _{K increases} with a high heating current I _H2 . If the heating current is reduced to I _H1 at time t1, the membrane temperature T _K drops again. This decrease continues until the heating current I _{H is} increased again at time t2 to I _H2 . The rise in membrane temperature T _K is steeper the lower the thermal conductivity λ of the ambient gas. The higher the thermal conductivity λ of the ambient gas, the steeper the drop in the membrane temperature T _K.

Der Temperaturverlauf während der Aufheizphase gehorcht im Wesentlichen der folgenden Gleichung:
The temperature curve during the heating phase essentially obeys the following equation:

Der Temperaturverlauf während der Abkühlphase verläuft gemäß der nachfolgenden Gleichung:
The temperature curve during the cooling phase runs according to the following equation:

Dabei bezeichnen:
R_th: thermischer Widerstand der Wärmeableitung;
C_th: Wärmekapazität der Membran;
T_K,max: Temperatur der Membran bei Beendigung des Auf heizvorgangs.Designate:
R _th : thermal resistance of heat dissipation;
C _th : heat capacity of the membrane;
T _{K, max} : temperature of the membrane at the end of the heating process.

Der thermische Widerstand R_th der Wärmeableitung von der Membran setzt sich aus den thermischen Widerständen der Ableitung in das umgebende Trägermaterial, das heißt beispielsweise Silizium, und in das umgebende Gas zusam men. The thermal resistance R _{th of} the heat dissipation from the membrane is composed of the thermal resistances of the dissipation in the surrounding carrier material, that is to say, for example silicon, and in the surrounding gas.

Wird bei Zuführung einer bekannten Heizleistung die Zeit betrachtet, die der Sensor benötigt, um die Aufheiz- Abkühlkurve zwischen zwei definierten Temperaturen zu durchlaufen, so ist diese Zeit ein Maß für die Wärmeleit fähigkeit des umgebenden Mediums. Somit ist auch die Zeit, während welcher die Temperatur T_K oberhalb einer Schwellentemperatur T_S liegt, die ebenfalls in Fig. 4b eingezeichnet ist, ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Umgekehrt ist auch die Zeit, während welcher die Tempera tur T_K unterhalb der Schwellentemperatur T_S liegt, ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit λ. Somit kann die Messung dieser Zeit genutzt werden, um eine direkte Messung des Membrantemperaturfühlerwiderstandes oder des Heizwider standes zu umgehen. Eine derartige Zeitmessung ist mit einer digitalen Auswerteschaltung leicht möglich.If the time required for the sensor to pass through the heating-cooling curve between two defined temperatures is considered when a known heating power is supplied, this time is a measure of the thermal conductivity of the surrounding medium. Thus, the time during which the temperature T _{K is} above a threshold temperature T _S , which is also shown in FIG. 4b, is a measure of the thermal conductivity. Conversely, the time during which the temperature T _{K is} below the threshold temperature T _S is a measure of the thermal conductivity λ. The measurement of this time can thus be used to avoid a direct measurement of the membrane temperature sensor resistance or the heating resistance. Such a time measurement is easily possible with a digital evaluation circuit.

Fig. 5 zeigt den Spannungsverlauf U_MK in Abhängigkeit der Zeit t an einem temperaturabhängigen Widerstand, der den in Fig. 4b dargestellten Temperaturänderungen ausge setzt ist. Wiederum sind drei Kurven in das Diagramm gemäß Fig. 5 eingezeichnet, wobei diese den Spannungs verlauf für verschiedene Wärmeleitfähigkeiten λ₁ < λ₂ < λ₃ zeigen. Für die Fertigung der Widerstände kann beispiels weise Platin verwendet werden, welches einen von der Temperatur abhängigen spezifischen elektrischen Wider stand aufweist. Messtechnisch kann somit ein Schwellen wert U_S für die an dem temperaturabhängigen Widerstand abfallende Spannung U_MK festgelegt werden. Dieser Schwel lenwert wird dann zur Bestimmung der Zeiten verwendet, die letztlich digital ausgewertet werden. Bei hoher Leit fähigkeit des Umgebungsgases, beispielsweise bei einer Leitfähigkeit entsprechend der unteren Kurve in Fig. 5, ist die Zeit kurz, während welcher die Spannung U_MK ober halb des Schwellenwertes U_S liegt. Eine kurze Zeit ober halb des Schwellenwertes lässt somit einen Rückschluss auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases zu. Umgekehrt ist bei niedriger Wärmeleitfähigkeit des Umge bungsgases der Schwellenwert U_S während eines langen Zeitraums überschritten, so dass hieraus auf eine niedri ge Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases rückgeschlossen werden kann. Fig. 5 shows the voltage curve U _MK as a function of time t at a temperature-dependent resistor, which is the temperature changes shown in Fig. 4b sets. Again, three curves are drawn in the diagram according to FIG. 5, these showing the voltage curve for different thermal conductivities λ ₁ <λ ₂ <λ ₃ . For the manufacture of the resistors, for example, platinum can be used, which has a temperature-dependent specific electrical resistance. In terms of measurement technology, a threshold value U _S for the voltage U _MK dropping across the temperature-dependent resistor can thus be defined. This threshold value is then used to determine the times that are ultimately evaluated digitally. With high conductivity of the ambient gas, for example with a conductivity according to the lower curve in FIG. 5, the time during which the voltage U _MK lies above the threshold value U _S is short. A short time above the threshold value allows a conclusion to be drawn about the high thermal conductivity of the ambient gas. Conversely, when the thermal conductivity of the ambient gas is low, the threshold value U _{S is} exceeded for a long period of time, so that it can be concluded that the ambient gas is of low thermal conductivity.

Fig. 6 zeigt eine Schaltungsskizze einer Schaltung zur Auswertung der Aufheiz-Abkühlkurve. Die Schaltung gemäß Fig. 6a umfasst einen ersten Stromkreis mit einem Diffe renzverstärker 10, einem Heizwiderstand 20 und einem weiteren Widerstand 30. Dem positiven Eingang des Diffe renzverstärkers 10 wird eine Eingangsspannung U_Ein einge geben, welche vorzugsweise eine periodische Rechteckform besitzt, wie dies in Fig. 6b dargestellt ist. In Fig. 6b ist U_Ein gegen t aufgetragen. Der negative Eingang des Differenzverstärkers 10 ist über den Widerstand 30 geer det. Der Ausgang des Differenzverstärkers 10 liefert einen Heizstrom I_H, welcher durch den Widerstand 20 fließt, der einen Wert R_H aufweist. Dieser Wert ist im Allgemeinen temperaturabhängig. Der Stromkreis wird durch eine Verbindung des Widerstandes 20 mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 10 geschlossen. Somit steht eine Schaltung zur Verfügung, welche periodische Temperaturschwankungen erzeugt, wobei die Periode von dem Verlauf der Eingangsspannung U_Ein bestimmt wird. Ein wei terer Stromkreis der Schaltung gemäß Fig. 6a umfasst eine Stromquelle 12, welche einen Messstrom I_MK liefert. Fig. 6 is a circuit diagram showing a circuit for evaluation of the heating-cooling curve. The circuit of FIG. 6 comprises a first circuit having a Diffe ence amplifier 10, a heating resistor 20 and a further resistor 30. The positive input of the differential amplifier 10 is an input voltage U _Ein enter, which preferably has a periodic rectangular shape, as shown in Fig. 6b. In Fig. 6b, U _{Ein is} plotted against t. The negative input of the differential amplifier 10 is geer det via the resistor 30 . The output of the differential amplifier 10 supplies a heating current I _H , which flows through the resistor 20 , which has a value R _H. This value is generally temperature dependent. The circuit is closed by connecting the resistor 20 to the negative input of the differential amplifier 10 . A circuit is thus available which produces periodic temperature fluctuations, the period being determined by the profile of the input voltage U _Ein . A further circuit of the circuit according to FIG. 6a comprises a current source 12 , which supplies a measuring current I _MK .

Dieser Messstrom I_MK wird im Wesentlichen durch einen Widerstand 18 geleitet, welcher mit Erde verbunden ist und einen temperaturabhängigen Wert R_TK aufweist. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 18 wird gemessen, indem ein Pol des Widerstandes 18 über einen Widerstand 34 mit dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers 36 verbunden ist. Ein weiterer Pol des Widerstandes 18 ist über einen Widerstand 38 mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 36 verbunden. Der positive Ein gang des Differenzverstärkers 36 ist ferner über einen weiteren Widerstand 40 mit Erde verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 36 wird über einen Rückkopp lungswiderstand 42 auf den negativen Eingang des Diffe renzverstärkers 36 zurückgeführt. Ebenfalls wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 36 dem positiven Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 14 zugeführt. Dem negativen Eingang dieses weiteren Differenzverstär kers 14 wird von einer Spannungsquelle 46 eine Schwellen spannung U_S zugeführt. Auf diese Weise wird eine Aus gangsspannung U_AUS am Ausgang 14 des Differenzverstärkers 14 erzeugt, deren Periode von der Eingangsspannung U_Ein gemäß Fig. 6b abhängt, wobei allerdings das Tastverhält nis von dem Vergleich des aufgrund des Spannungsabfalls am Widerstand 18 erzeugten Signals mit der Schwellenspan nung abhängt. Die Ausgangsspannung U_AUS wird Mitteln 16 zum digitalen Auswerten zugeführt. Der Verlauf der Aus gangsspannung mit einer beispielhaften Variationsbreite ist in Fig. 6c dargestellt, wo U_AUS gegen t aufgetragen ist.This measuring current I _MK is essentially passed through a resistor 18 which is connected to earth and has a temperature-dependent value R _TK . The voltage drop across the resistor 18 is measured by connecting one pole of the resistor 18 to the positive input of a differential amplifier 36 via a resistor 34 . Another pole of the resistor 18 is connected via a resistor 38 to the negative input of the differential amplifier 36 . The positive input of the differential amplifier 36 is also connected to earth via a further resistor 40 . The output of the differential amplifier 36 is fed back via a feedback resistor 42 to the negative input of the differential amplifier 36 . The output signal of the differential amplifier 36 is also fed to the positive input of a further differential amplifier 14 . The negative input of this further differential amplifier 14 is supplied with a threshold voltage U _S by a voltage source 46 . In this way, an off will output voltage U _OUT at the output 14 of the differential amplifier 14 generates whose period depends on the input voltage U _A of Fig. 6b, although the Tastverhält nis from the comparison of the signal generated due to the voltage drop across the resistor 18 signal with the threshold tension depends on. The output voltage U _AUS is supplied to means 16 for digital evaluation. The course of the output voltage with an exemplary range of variation is shown in Fig. 6c, where U _{AUS is} plotted against t.

In Fig. 7 ist in zwei Diagrammen die Abhängigkeit des Tastverhältnisses der Ausgangsspannung U_AUS bei konstanter Periode der Eingangsspannung U_Ein verdeutlicht. Im oberen Teil sind die Spannungsverläufe von U_Ein und U_AUS gegen die Zeit aufgetragen, wobei hier die Umgebung eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Wenn U_Ein ein hohes Niveau annimmt, so wird bei niedriger Wärmeleitfähigkeit λ₂ rasch eine hohe Spannung an dem Widerstand 18 gemäß Fig. 6 abfallen. Diese Spannung wird frühzeitig den Schwellenwert U_S überschreiten, so dass die Ausgangsspan nung U_AUS ebenfalls frühzeitig ihren oberen Wert annimmt. Nach dem Zeitpunkt t1, zu dem die Eingangsspannung U_Ein auf einen niedrigen Wert beziehungsweise auf Null ge bracht wird, dauert es eine vergleichsweise lange Zeit, bis die über dem Widerstand 18 gemäß Fig. 6 abfallende Spannung wieder unter den Schwellenwert U_S abfällt, so dass auch die Ausgangsspannung U_AUS erst nach einer ver gleichsweise langen Zeit wieder auf ihren unteren Wert abfällt. Bei einer höheren Wärmeleitfähigkeit des umge benden Mediums (Gasgemisches) erhöht sich die Temperatur des Widerstandes 18 gemäß Fig. 6 langsamer, so dass es auch länger dauert, bis die an dem Widerstand 18 gemäß Fig. 6 abfallende Spannung den Schwellenwert U_S über schreitet. Demzufolge nimmt die Ausgangsspannung U_AUS erst nach einer vergleichsweise langen Zeit ihren oberen Wert an, wie es im unteren Teil von Fig. 7 zu erkennen ist. Nach dem Umschalten der Eingangsspannung U_Ein auf einen niedrigen Wert oder auf Null zum Zeitpunkt t1 geht auch die Ausgangsspannung U_AUS rasch auf ihren unteren Wert, da die an dem temperaturabhängigen Widerstand 18 abfallende Spannung rasch wieder unter den Schwellenwert U_S abfällt. Die Länge des Ausgangsspannungssignals U_AUS ist somit ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases. In Fig. 7, the dependence of the duty cycle of the output voltage U _AUS with a constant period of the input voltage U _{Ein is} illustrated in two diagrams. The voltage curves of U _On and U _{OFF are} plotted against time in the upper part, with the surrounding area having a relatively low thermal conductivity. If U _Ein assumes a high level, a high voltage across the resistor 18 according to FIG. 6 will drop rapidly with a low thermal conductivity λ ₂ . This voltage will exceed the threshold value U _{S at an} early stage, so that the output voltage U _{OUT will} also assume its upper value at an early stage. After the time t1, at which the input voltage U _{Ein is brought} to a low value or to zero, it takes a comparatively long time until the voltage drop across the resistor 18 according to FIG. 6 drops again below the threshold value U _S , so that the output voltage U _AUS only drops back to its lower value after a comparatively long time. With a higher thermal conductivity of the surrounding medium (gas mixture), the temperature of the resistor 18 according to FIG. 6 increases more slowly, so that it also takes longer until the voltage drop across the resistor 18 according to FIG. 6 exceeds the threshold value U _S. As a result, the output voltage U _AUS only assumes its upper value after a comparatively long time, as can be seen in the lower part of FIG. 7. After switching of the input voltage U _A to a low value or to zero at the time t1, the output voltage U is _OFF quickly to its lower value as the voltage dropped across the temperature-dependent resistor 18 voltage rapidly drops again below the threshold value U _S. The length of the output voltage signal U _AUS is thus a measure of the thermal conductivity λ of the ambient gas.

Durch eine geeignete Wahl der Periodendauer der Eingangs spannung U_Ein und der Höhe der Schwellenspannung U_S ist eine Einstellung der Empfindlichkeit des Tastverhältnis ses auf Wärmeleitfähigkeitsänderungen möglich. Schwankun gen der Umgebungstemperatur können durch eine von der Umgebungstemperatur abhängige Lage der Schwellenwertspan nung kompensiert werden.A suitable choice of the period of the input voltage U _Ein and the level of the threshold voltage U _S makes it possible to adjust the sensitivity of the duty cycle to changes in thermal conductivity. Fluctuations in the ambient temperature can be compensated for by a position of the threshold voltage depending on the ambient temperature.

An dieser Stelle wird auch besonders deutlich, dass ge genüber einem statischen Betrieb des Sensors eine stark verringerte Heizleistung in Abhängigkeit der Periodendau er und des Tastverhältnisses des rechteckförmigen Heiz stroms erreicht werden kann.At this point it is particularly clear that ge compared to a static operation of the sensor a strong reduced heating output depending on the period he and the duty cycle of the rectangular heater current can be achieved.

Fig. 8 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung einer ande ren Auswertemöglichkeit der Aufheiz-Abkühlkurve. Bei der Auswertung gemäß Fig. 8 wird nur der Aufheiz-Teil der Aufheiz-Abkühlkurve verwendet. Die nachfolgende Erläute rung dieses Auswerteverfahrens ist exemplarisch für die Auswertung eines Teils der Aufheiz-Abkühlkurve, da bei spielsweise auch ausschließlich der Abkühl-Teil der Auf heiz-Abkühlkurve für die Auswertung verwendet werden kann. Im oberen Teil von Fig. 8 sind Spannungen bezie hungsweise ein Strom in Abhängigkeit der Zeit t aufgetra gen. Wiederum ist der Zeitpunkt t1 der Zeitpunkt des periodischen "Abschaltens" der Eingangsspannung U_Ein, während der Zeitpunkt t2 der Zeitpunkt des periodischen "Einschaltens" der Eingangsspannung U_Ein ist. Der Heiz strom I_H hat einen entsprechenden Verlauf. Fig. 8 shows two diagrams for explaining another evaluation option of the heating-cooling curve. In the evaluation according to FIG. 8, only the heating part of the heating-cooling curve is used. The following explanation of this evaluation method is an example for the evaluation of part of the heating-cooling curve, since for example only the cooling part of the heating-cooling curve can be used for the evaluation. In the upper part of Fig. 8 are voltages relation ship, a power function of time t aufgetra gene. Again, the time t1, the timing of the periodic "turning off" of the input voltage U _A, while the time t2, the timing of the periodic "turning on" the _an input voltage U is. The heating current I _H has a corresponding course.

Im unteren Teil von Fig. 8 ist die an dem temperaturab hängigen Widerstand 18 abfallende Spannung U_MK gegen die Zeit t aufgetragen. Die unterschiedlichen Spannungsver läufe hängen von den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkei ten λ des Umgebungsgases ab. Bei hoher Wärmeleitfähigkeit λ₁ steigt die Spannung U_MK langsam an, wie es im Zusammen hang mit Fig. 5 erläutert wurde. Bei niedrigerer Wärme leitfähigkeit λ₂ findet ein schnellerer Anstieg der Span nung U_MK statt. Ein nochmals schnellerer Anstieg findet bei einer Wärmeleitfähigkeit λ₃ statt, welche geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit λ₂. Folglich wird bei hoher Wärmeleitfähigkeit der Schwellenwert U_S, welcher im unteren Teil der Fig. 8 eingezeichnet ist, zu einem späten Zeitpunkt überschritten, das heißt zu einem Zeit punkt, welcher nahe bei dem Zeitpunkt t1 liegt. Folglich erreicht die Ausgangsspannung U_AUS zu einem Zeitpunkt kurz vor dem Zeitpunkt t1 das hohe Niveau. Bei höherer Wärme leitfähigkeit λ₂ des Umgebungsgases erreicht die Spannung U_MK früher den Schwellenwert U_S. Folglich erlangt auch die Ausgangsspannung U_S früher das hohe Niveau. Bei noch höherer Spannung erreicht die Spannung U_MK noch früher den Schwellenwert U_S. Auch die Ausgangsspannung erreicht mithin zu einem sehr frühen Zeitpunkt vor t1 das hohe Niveau. Bezeichnet man den Zeitraum zwischen dem Übergang der Ausgangsspannung von niedrigem Niveau auf hohes Ni veau und dem Zeitpunkt t1 mit ΔT_High, so lässt sich durch die Messung der Werte für ΔT_High auf die Wärmeleitfähig keiten des Umgebungsgases rückschließen.In the lower part of FIG. 8, the voltage U _MK dropping across the temperature-dependent resistor 18 is plotted against time t. The different voltage profiles depend on the different thermal conductivities λ of the ambient gas. At high thermal conductivity λ ₁ , the voltage U _MK rises slowly, as was explained in connection with FIG. 5. At lower thermal conductivity λ ₂ , the voltage U _MK increases more rapidly. An even faster increase takes place at a thermal conductivity λ ₃ , which is lower than the thermal conductivity λ ₂ . Consequently, in the case of high thermal conductivity, the threshold value U _S , which is shown in the lower part of FIG. 8, is exceeded at a late point in time, that is to say at a point in time which is close to the point in time t1. As a result, the output voltage U _AUS reaches the high level at a point in time just before the point in time t1. With higher thermal conductivity λ _{2 of} the ambient gas, the voltage U _{MK reaches} the threshold value U _S earlier. As a result, the output voltage U _{S also reaches} the high level earlier. If the voltage is even higher, the voltage U _MK reaches the threshold value U _S even earlier. The output voltage therefore also reaches the high level at a very early point in time before t1. If one designates the period between the transition of the output voltage from low level to high level and the point in time t1 with ΔT _High , the thermal conductivity of the ambient gas can be deduced from the measurement of the values for ΔT _High .

In den Fig. 9 bis 11 sind drei Auswerteergebnisse mikromechanischer Wärmeleitfähigkeitssensoren darge stellt, welche auf der vorliegenden Erfindung basieren. Die unterschiedlichen Signale, welche in den Fig. 9 bis 11 dargestellt sind, können unterschiedlich skaliert sein, obwohl sie in demselben Diagramm dargestellt sind.In FIGS. 9 to 11 three evaluation results micromechanical thermal conductivity sensors are Darge sets, which are based on the present invention. The different signals which are shown in FIGS. 9 to 11 can be scaled differently, although they are shown in the same diagram.

Fig. 9 zeigt ein Auswerteergebnis mit reiner Luft als Umgebungsgas. Es liegt somit ein System mit vergleichs weise geringer Wärmeleitfähigkeit vor. Die Eingangsspan nung U_Ein ist eine Rechteckspannung. Die über dem tempera turabhängigen Widerstand 18 gemäß Fig. 6 abfallende Spannung U_MK steigt mit dem "Einschalten" der Eingangs spannung U_Ein an, und sie erreicht sehr schnell die Schwellenspannung U_S. Die Ausgangsspannung liegt daher auch praktisch unmittelbar nach dem Einschalten der Ein gangsspannung U_Ein auf hohem Niveau. Nach dem Ausschalten der Eingangsspannung U_Ein sinkt auch die Spannung über dem Widerstand 18 gemäß Fig. 6 ab. Allerdings sinkt sie erst sehr spät unter die Schwellenspannung U_S ab. Die Aus gangsspannung kann daher auch erst sehr spät den niedri gen Wert annehmen. In der Darstellung gemäß Fig. 9 ist es sogar so, dass das Abfallen der Ausgangsspannung nur als kurzer "Zacken" des Ausgangsspannungsverlaufes zu erkennen ist. Das Tastverhältnis der Ausgangsspannung beträgt somit nahezu 100%. Eine solche Einstellung der Schwellenspannung U_S und der Periodendauer der Eingangs spannung U_Ein bietet sich an, wenn Beimischungen von Gasen zu Luft untersucht werden sollen. Es liegt somit von vornherein eine Normierung der Auswerteergebnisse vor. Fig. 9 shows an evaluation result with pure air as the ambient gas. There is therefore a system with comparatively low thermal conductivity. The input voltage U _On is a square wave voltage. The above tempera turabhängigen resistor 18 of FIG. 6 falling voltage U _MK increases with the "turn on" the input voltage U to _A, and it reaches very rapidly the threshold voltage U _S. The output voltage is therefore practically immediately after switching on the input voltage U _Ein at a high level. After switching off the input voltage U _A and the voltage across the resistor 18 decreases in accordance with Fig. 6 from. However, it only drops below the threshold voltage U _S very late. The output voltage can therefore only assume the low value very late. In the illustration according to FIG. 9, it is even the case that the drop in the output voltage can only be recognized as a short “jag” of the output voltage curve. The duty cycle of the output voltage is thus almost 100%. Such a setting of the threshold voltage U _S and the period of the input voltage U _A is appropriate if admixtures of gases to air are to be examined. This means that the evaluation results are standardized from the outset.

Fig. 10 zeigt Messergebnisse für ein Umgebungsgas, wel ches aus 50 Vol.-% Luft und 50 Vol.-% Helium besteht. Das Gas weist aufgrund des Heliumanteils eine im Vergleich zu reiner. Luft stark vergrößerte Wärmeleitfähigkeit auf. Aus diesem Grund steigt die Kurve U_MK in Fig. 10 langsamer an als die Kurve U_MK in Fig. 9, so dass der Schwellen wert U_s von der Spannung U_MK erst später erreicht wird, als im Fall von Fig. 9 bei reiner Luft. Folglich nimmt auch die Ausgangsspannung U_AUS erst zu einem späteren Zeitpunkt den oberen Wert an. Nach dem "Ausschalten" der Eingangsspannung U_Ein sinkt die Spannung U_MK wieder ab. Wenn sie die Schwellenspannung U_s unterschreitet geht auch die Ausgangsspannung auf ihren unteren Wert zurück. Es liegt ein mittleres Tastverhältnis der Ausgangsspan nung U_AUS vor. Fig. 10 shows results of measurement of an ambient gas, wel ches from 50 vol .-% air and 50 vol .-% helium. Due to the helium content, the gas has a higher purity. Air greatly increased thermal conductivity. For this reason, the curve U _MK in FIG. 10 rises more slowly than the curve U _MK in FIG. 9, so that the threshold value U _s of the voltage U _{MK is} only reached later than in the case of FIG. 9 with pure Air. Consequently, the output voltage U _AUS also assumes the upper value at a later point in time. According to the "off" of the input voltage U _A voltage U _MK decreases again. If it _falls below the threshold voltage U _s , the output voltage also drops to its lower value. There is an average duty cycle of the output voltage U _AUS .

In Fig. 11 sind Auswertungsergebnisse für reines Helium dargestellt. Es liegt somit ein Gas mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit vor. Demzufolge ist die Ausgangsspan nung U_AUS während einer vergleichsweise kurzen Zeit auf hohem Niveau und für eine längere Zeit auf niedrigem Niveau.Evaluation results for pure helium are shown in FIG. 11. There is therefore a gas with a very high thermal conductivity. As a result, the output voltage U _{AUS is} at a high level for a comparatively short time and at a low level for a longer time.

Dem Fachmann ist klar, dass mit der vorliegenden Erfin dung nicht nur die Wärmeleitfähigkeit von Gasen und Gas gemischen, sondern auch diejenige von anderen Medien, beispielsweise von Flüssigkeiten, gemessen werden kann.It is clear to the person skilled in the art that with the present invention not only the thermal conductivity of gases and gas mix, but also from other media, for example liquids.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrati ven Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.The preceding description of the exemplary embodiments according to the present invention is only for illustrati purposes and not for the purpose of limiting the Invention. Various are within the scope of the invention Changes and modifications possible without the scope leave the invention and its equivalents.

Claims

1. Device for measuring thermal conductivity with
Means ( 10 ) for providing a heating voltage,
Means ( 12 ) for providing a measuring current and
Means ( 18 ) for generating a temperature-dependent voltage drop,
characterized by
that the means ( 10 ) for providing a heating voltage provide a time-changing heating voltage and
that means ( 14 ) for comparing the temperature-dependent voltage drop with a threshold voltage and for generating a time-varying output voltage are provided.

2. Device according to claim 1, characterized in
that the output voltage has a first value when the temperature-dependent voltage drop is below the threshold voltage, and
that the output voltage has a second value if the temperature-dependent voltage drop is above the threshold voltage.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the means ( 10 ) for providing a heating voltage provide a periodically pulsed heating voltage.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that means ( 16 ) are provided for digitally evaluating the time-varying output voltage.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in
that the means ( 16 ) for digitally evaluating the time-varying output voltage have a counter and
that a duty cycle of the output voltage is evaluated.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means for generating a temperature-dependent voltage drop comprise a temperature-dependent resistor ( 18 ).

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature-dependent resistor ( 18 ) is a platinum resistor.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means ( 18 ) for generating a temperature-dependent voltage drop are arranged on a membrane.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means ( 10 ) for providing a heating voltage cooperate with a heating resistor ( 20 ).

10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means for generating a temperature-dependent voltage drop and heating resistance are identical.

11. Method of measuring thermal conductivity with the steps:
Providing a heating voltage,
Providing a measuring current and
Generation of a temperature-dependent voltage drop,
characterized,
that a time-varying heating voltage is made available,
that the temperature-dependent voltage drop is compared with a threshold voltage and
that a time-varying output voltage is generated.

12. The method according to claim 11, characterized in
that the output voltage has a first value when the temperature-dependent voltage drop is below the threshold voltage, and
that the output voltage has a second value if the temperature-dependent voltage drop is above the threshold voltage.

13. The method according to claim 11 or 12, characterized records that a periodically pulsed heating voltage for Is made available.

14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized characterized that the temporally changing Aus output voltage is evaluated digitally.

15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that
that a counter is used for digital evaluation of the temporally changing output voltage and
that a duty cycle of the output voltage is evaluated.

16. The method according to any one of claims 11 to 15, characterized in that the temperature-dependent voltage drop is generated by means of a temperature-dependent resistor ( 18 ).

17. The method according to any one of claims 11 to 16, characterized in that a platinum resistor is used as the temperature-dependent resistor ( 18 ).

18. The method according to any one of claims 11 to 17, characterized in that a heating resistor ( 20 ) is used to provide a heating power.

19. The method according to any one of claims 11 to 18, characterized characterized that as a temperature dependent resistor and used the same resistor as the heating resistor becomes.

20. Use of a device according to one of the claims 1 to 10, in particular to carry out a method according to one of claims 11 to 19, characterized in net that the thermal conductivity of a gas is measured becomes.

21. Use according to claim 20, characterized in that that the gas is a gas mixture.

22. Use according to claim 20 or 21, characterized records that a quantitative analysis of a Gasgemi is carried out.