DE10149333B4

DE10149333B4 - Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen

Info

Publication number: DE10149333B4
Application number: DE2001149333
Authority: DE
Inventors: Gerhard Huth; Berndt Dr. Cramer; Norbert Dr. Breuer; Bernd Dr. Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-06
Filing date: 2001-10-06
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2021-10-07
Also published as: DE10149333A1

Abstract

Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen, mit einer auf einem Substrat (2) angeordneten Widerstandsmessstruktur (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessstruktur (3) mit einer Rußschicht (6) in Kontakt steht und dass eine Temperaturmesseinrichtung (7, 22) vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der US 5,348,761 bekannt und arbeitet nach dem Prinzip, daß sich der elektrische Widerstand eines Sensormaterials in Abhängigkeit von dem Feuchtigkeitsgehalt eines zu analysierenden Gases ändert. Der bekannte Sensor besteht aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial, beispielsweise aus einem Glas oder einer Keramik, auf welchem eine Widerstandsmeßstruktur angeordnet ist, die von einer Polymerschicht überdeckt oder unterlegt ist. In Abhängigkeit von der Feuchtigkeit des zu analysierenden Gases ändert sich der elektrische Widerstand der Polymerschicht. Der Widerstand ist mittels zweier, der Widerstandsmessstruktur zugeordneter Elektroden messbar, die als interdigitale Kammelektroden ausgebildet sind. Die Polymerschicht umfasst zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit Zusatzstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoff, Metallstaub oder ähnliches.

Ferner ist es aus der Praxis bekannt, die Feuchtigkeit eines Gases mittels IR-Absorption oder über Schallgeschwindigkeitsmessungen zu ermitteln.

Darüber hinaus ist es auch bekannt, die Feuchtigkeit eines Gases über die Änderung der kapazitiven und/oder ohmschen Eigenschaften keramischer Sinterkörper zu ermitteln.

So ist aus der DE 27 42 902 C2 ein Feuchtefühler bekannt, der eine poröse Aluminiumoxidschicht aufweist, deren feuchteabhängiger elektrischer Widerstand bestimmt wird.

Vorteile der Erfindung

Die Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welcher die Widerstandsmessstruktur mit einer Rußschicht zusammenwirkt sowie eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen ist, hat den Vorteil, dass bei der Auswertung des mittels der Widerstandsmessstruktur gemessenen Widerstands der Rußschicht eine Temperaturkorrektur der Messsignale durchgeführt werden kann, was wiederum zu zuverlässigen Messergebnissen führt.

Bei der Widerstandsmessstruktur handelt es sich beispielsweise um eine doppelte Kammstruktur, d. h. um eine sogenannte Interdigitalstruktur.

Das Substrat der Sensorvorrichtung besteht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise einer Keramik, wie Aluminiumoxid, oder auch aus Kunststoff. Die beispielsweise aus zwei Kammelektroden bestehende Widerstandsmeßstruktur kann dann auf das als Träger dienende Substrat aufgebracht und von der Rußschicht überdeckt sein.

Die Sensorvorrichtung nach der Erfindung stellt einen einfach aufgebauten, robusten Feuchtigkeitssensor dar, der nur einem geringen Alterungs- und Hystereseeffekt unterliegt.

Nach einer herstellungstechnisch günstig zu verwirklichenden Ausführungsform umfaßt die Temperaturmeßeinrichtung ein Widerstandsthermometer. Das Widerstandsthermometer ist zweckmäßig im Bereich der Rußschicht nahe der Widerstandsmeßstruktur angeordnet.

Die Temperaturmeßeinrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch Mittel zur Messung eines frequenzabhängigen Wechselstromwiderstands umfassen. Diese Mittel umfassen zweckmäßigerweise einen Kondensator bekannter Kapazität sowie einen zusätzlichen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand. Die Temperaturabhängigkeit des zusätzlichen elektrischen Widerstands, des sogenannten Temperaturwiderstandes, sollte möglichst groß gewählt sein. Der eine Rußschicht darstellende Widerstand und der zusätzliche Temperaturmeßwiderstand sollten in Serie und der Kondensator sollte entweder parallel zum Rußwiderstand oder zum Temperaturmeßwiderstand geschaltet sein. Mittels dieser Anordnung kann aus einer bei mindestens zwei Frequenzen erfolgenden Impedanz messung neben der Feuchte der Rußschicht auch die Temperatur der Sensorvorrichtung ermittelt werden.

Um die Sensorvorrichtung auf einer definierten Temperatur halten zu können, welche oberhalb der Umgebungstemperatur liegt, weist die Sensorvorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft eine Heizeinrichtung auf. Mittels der Heizeinrichtung kann auch gegebenenfalls in der Rußschicht gehaltenes Wasser durch Erhöhung der Temperatur der Sensorvorrichtung vollständig ausgetrieben werden. Ein nach dem Austreiben des Wassers ermittelter Meßwert kann dann als Nullwert für eine spätere Feuchtigkeitsmessung an einem Gas genutzt werden. Hierzu kann die Sensorvorrichtung mit einer geeigneten elektronischen Schaltung versehen sein.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt die Sensorvorrichtung nach der Erfindung eine poröse Deckschicht. Diese zweckmäßig dünne und hochporöse Deckschicht dient zur Verhinderung eines Abriebes der Rußschicht durch abrasive Teilchen, welche gegebenenfalls in einem zu analysierenden Gas enthalten sind, und besteht beispielsweise aus Kunststoff oder einer Keramik.

Vorteilhaft erweist es sich, eine Rußschicht mit einer nanoskopischen Feinstruktur einzusetzen. Beispielsweise weist die Rußschicht Rußpartikel mit einer Teilchengröße kleiner oder gleich 100 nm auf. Es kann sich dann um einen sogenannten Furnace-Ruß handeln. Eine derartige Rußschicht weist einen spezifischen Widerstand auf, der exponentiell mit der Kubikwurzel des von der Rußschicht eingenommenen Volumens ansteigt. Setzt man diese Rußschicht einer feuch ten Gasatmosphäre aus, so kondensiert die Feuchtigkeit in Kapillaren zwischen den Rußpartikeln. Kapillarkräfte vergrößern den Volumenanteil, welcher von den Kapillaren eingenommen wird, und den mittleren Abstand zwischen den Partikeln und damit das von der Rußschicht eingenommene Gesamtvolumen. Der spezifische Widerstand steigt mit dem Volumen stark an, so daß es in Abhängigkeit von der von der Rußschicht aufgenommenen Feuchte zu einem deutlich meßbaren Anstieg des elektrischen Widerstands der Rußschicht kommt.

Vorteilhaft weist die Rußschicht eine Dicke kleiner oder gleich 10 μm auf. Eine solche Rußschichtdicke läßt sich über übliche Verfahren bei der Herstellung der Sensorvorrichtung nach der Erfindung erzeugen. Bei einer derartig geringen Dicke der Rußschicht laufen Diffusionsprozesse innerhalb der Rußschicht sehr schnell ab. Gleichgewichtsbedingungen können sich damit sehr rasch einstellen. Dies führt wiederum zu einer kurzen Ansprechzeit der Sensorvorrichtung nach der Erfindung. Auch wird das Auftreten von Hystereseverläufen verhindert.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele einer Sensorvorrichtung nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dar gestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Draufsicht auf eine Sensorvorrichtung nach der Erfindung;
2 einen Querschnitt durch die Sensorvorrichtung nach 1 in einer Prinzipskizze;
3 einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Sensorvorrichtung nach der Erfindung; und
4 ein Schaltbild der Sensorvorrichtung nach 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1 und 2 ist eine Sensorvorrichtung 1 zur Bestimmung der Feuchtigkeit eines Gases dargestellt, die einen als Substrat dienenden Träger 2 aus einer Aluminiumoxid-Keramik aufweist. Auf den elektrisch isolierenden Träger 2 ist eine Widerstandsmeßstruktur 3 aufgebracht, die aus zwei interdigitalen Kammelektroden 4 und 5 besteht. Die aus den Kammelektroden 4 und 5 bestehende Widerstandsmeßstruktur 3 dient zur Messung eines elektrischen Widerstands einer Rußschicht 6, welche die Kammelektroden 4 und 5 sowie den Träger 2 überdeckt, wie 2 zu entnehmen ist.
Die Rußschicht 6 weist hier eine nanoskopische Feinstruktur auf und stellt einen Furnace-Ruß aus Rußpartikeln einer Teilchengröße von etwa 100 nm und einer Schichtdicke von etwa 10 μm dar. Der Widerstand der Rußschicht ändert sich in Abhängigkeit von der von der Rußschicht 6 aufgenommenen Feuchtigkeit, welche in einem Meßgas enthalten ist, dem die Sensorvorrichtung ausgesetzt ist.
Des weiteren umfaßt die in den 1 und 2 dargestellte Sensorvorrichtung 1 eine als Widerstandsthermometer ausgeführten Temperaturmeßeinrichtung 7, die nahe der Widerstandsmeßstruktur 3 auf dem Träger 2 angeordnet ist sowie ebenfalls von der Rußschicht 6 überdeckt ist. Die sensorische Temperaturmeßeinrichtung 7 ist über Leitungen 8 und 9 mit einem üblichen, hier nicht dargestellten Meßinstrument verbunden.
In den 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 20 in Form eines Rußsensors dargestellt. Der Rußsensor 20 unterscheidet sich von demjenigen nach den 1 und 2 dadurch, daß die Rußschicht 6 zur Verhinderung eines Abriebes durch in dem betreffenden Gas enthaltene, abrasive Bestandteile eine dünne und hochporöse Deckschicht 21 aufgebracht ist. Die Deckschicht 21 besteht beispielsweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff oder einer Keramik.
Des weiteren umfaßt die Sensorvorrichtung 20 Mittel zur Messung eines frequenzabhängigen Wechselstromwiderstands, so daß durch Messung bei mindestens zwei Frequenzen die in der Rußschicht 6 enthaltene Feuchtigkeit sowie deren Temperatur gleichzeitig aus dem Wechselstromwiderstand ermittelt werden können. Hierzu umfaßt die Sensorvorrichtung 20 eine in 4 anhand eines Schaltbildes dargestellte Verschaltung 22, die als Temperaturmeßeinrichtung dient. Hierbei stellt die Rußschicht 6 einen sogenannten Feuchtigkeitswiderstand dar, der in Reihe mit einem sogenannten Temperaturwiderstand 23 geschaltet ist. Der Temperaturwiderstand 22 hat einen bekannten Temperaturkoeffizienten und einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand. Der Temperaturwiderstand 23 ist parallel mit einem Kondensator 24 bekannter Kapazität geschaltet.
Des weiteren umfaßt die Sensorvorrichtung 20 nach den 3 und 4 eine hier nicht dargestellte Heizeinrichtung, mittels der von der Rußschicht 6 aufgenommene Feuchtigkeit wieder aus dieser ausgetrieben werden kann.

Claims

Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen, mit einer auf einem Substrat (2) angeordneten Widerstandsmessstruktur (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessstruktur (3) mit einer Rußschicht (6) in Kontakt steht und dass eine Temperaturmesseinrichtung (7, 22) vorgesehen ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung ein Widerstandsthermometer (7) umfaßt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung Mittel (22) zur Messung eines frequenzabhängigen Wechselstromwiderstands umfaßt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung des frequenzabhängigen Wechselstromwiderstandes eine Kapazität (24) und einen temperaturabhängigen Widerstand (23) umfassen.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine poröse Deckschicht (21).
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußschicht (6) Rußpartikel einer Teilchengröße kleiner oder gleich 100 nm aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußschicht (6) eine Dicke kleiner oder gleich 10 μm hat.