DE102004022206A1

DE102004022206A1 - Sensor und Sensoranordnung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe

Info

Publication number: DE102004022206A1
Application number: DE200410022206
Authority: DE
Inventors: Ulf Dr. Hammerschidt; Vladislav Meier
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesrepublik Deutschland Bundesministerium fuer Wirtschaft und Arbeit PTB DE
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesrepublik Deutschland Bundesministerium fuer Wirtschaft und Arbeit PTB DE
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-05
Also published as: DE102004022206B4

Abstract

Bei einem Sensor und einer Sensoranordnung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe nach dem Heizstreifenverfahren, bei dem ein in der Probe befindlicher Heizstreifen (3, 4, 103, 104) durch einen durchfließenden elektrischen Strom erhitzt und eine dadurch in Kontakt mit der Probe bewirkte Widerstandsänderung ein Messsignal bildet, lassen sich die Anforderungen an die zu verwendenden Messgeräte und Komponenten des Sensors und der Sensoranordnung reduzieren und eine höhere Messgenauigkeit unter Beibehaltung eines kompakten Aufbaus der Messanordnung erzielen, indem der Heizstreifen (3, 4, 103, 104) aus zwei zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) gebildet ist, die parallel zueinander in enger thermischer Kopplung angeordnet sind, dass zusätzliche äußere Heizstreifen (2, 5, 102, 105) vorgesehen sind, die in gleichem Abstand und parallel zu den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) angeordnet sind, dass alle Heizstreifen (2, 3, 4, 5, 102, 103, 104, 105) gleiche Widerstandswerte bei gleichen Temperaturen aufweisen und in einer Brückenschaltung hintereinander verschaltet sind, dass in zwei Stromzweigen jeweils gleiche Ströme fließen und eine Widerstandsdifferenz von den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) zu den äußeren Heizstreifen (2, 5, 102, 105) zu einer entsprechenden Diagonalspannung in der Brückenschaltung führt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor und eine Sensoranordnung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe nach dem Heizstreifenverfahren.
Bekanntlich wird die Wärmeleitfähigkeit einer Materialprobe, die ein Feststoff, ein Fluid oder ein Schüttgut sein kann, indirekt aus dem Temperaturanstieg ΔT der Probe bestimmt, den ein Wärmestrom Φ bekannter Stärke hervorruft. Im Prinzip werden hierzu eine Wärmequelle, eine Wärmesenke und ein oder mehrere Thermometer benötigt. Die Wärmequelle erzeugt den Wärmestrom, der auf dem Weg zur Wärmesenke durch die Probe fließt. Bei einem instationären Verfahren messen Thermometer in der Probe deren zeitlichen Temperaturanstieg. Den funktionalen Zusammenhang zwischen Φ und ΔT zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit λ liefert das zweite Fouriersche Gesetz.
Es ist bekannt, in die Mitte der Probe einen dünnen Metallstreifen mit dem elektrischen Widerstand R₀ einzubetten und den Metallstreifen gleichzeitig als Joule sche Wärmequelle und als Widerstandsthermometer zu verwenden. Die Probe dient dabei als Wärmesenke. Wird der Metallstreifen mit einem elektrischen Strom der Stärke Z aufgeheizt, erfährt er eine zeitliche Widerstandsänderung R(T(t)) = R₀(1 + αΔT(t)), die seiner Temperaturzunahme ΔT(t) gegenüber der homogenen Anfangstemperatur T₀ entspricht, wobei α den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands bezeichnet. Trägt man dieses Signal über einer logarithmischen Zeitachse, In t, auf, so läßt sich ein mittleres Intervall linearisieren. Die Steigung der Geraden ist das Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Aus Steigung und Achsenabschnitt des Intervalls läßt sich zusätzlich die Temperaturleitfähigkeit der Probe bestimmen. Dieses Heizstreifenverfahren benötigt nur einen geringen apparativen Aufwand und kurze Messzeiten.
Nachteilig an dem Heizstreifenverfahren ist jedoch, dass es nur zu einem relativ kleinen Messsignal bei gleichzeitig großem Offset führt.
Die direkte Messung des Signals erfordert daher den Einsatz eines hoch präzisen Messinstruments, zum Beispiel eines Voltmeters, mit einem weiten Messbereich.
Die Messung des Signals kann auch durch geeignete Messverfahren erfolgen. Insbesondere ist bekannt, den Offset durch differentielle Messverfahren, auch Differenzverfahren genannt, weitestgehend zu eliminieren. Bewährt haben sich Messverfahren, die auf Brückenschaltungen oder der Verwendung von Komparatoren basieren.
Die in einer Brückenschaltung verwendeten Widerstandselemente dürfen allerdings nur eine sehr geringe Temperaturdrift aufweisen. Demgegenüber erfordert die Verwendung eines Komparators eine hoch stabile Referenzspannungsquelle. Bei beiden Differenzverfahren ist zudem nachteilig, dass für jede Anfangstemperatur T₀ vor der Messung ein Null-Abgleich erforderlich ist.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch unterschiedliche Temperaturen an verschiedenen elektrischen Verbindungen Thermospannungen erzeugt werden, die das Messsignal verfälschen.
Nachteilig ist des weiteren, dass sich das liniearisierte Intervall, aus dem die Wärmeleitfähigkeit bestimmt wird, bei den herkömmlichen Heizstreifenverfahren aufgrund unscharfer Übergänge zwischen linearen und nicht linearen Intervallen nur sehr ungenau bestimmen läßt. Dies führt dazu, dass die Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit nur mit einer großen Ungenauigleit ermittelt werden können und demzufolge mit einem großen Fehler behaftet sind. Die Ausbildung der Übergänge ist zudem von den gewählten thermodynamischen Randbedingungen, wie etwa adiabatisch oder isotherm, abhängig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, einen Sensor für das Heizstreifenverfahren zu entwickeln, bei dem die Anforderungen an die zu verwendenden Messgeräte und Komponenten des Sensors reduziert werden und eine höhere Messgenauigkeit unter Beibehaltung eines kompakten Aufbaus der Messanordnung erzielbar ist.
Diese Probleme werden durch den erfindungsgemäßen Sensor gelöst, bei dem der Heizstreifen aus zwei zentralen Heizstreifen gebildet ist, die parallel zueinander in enger thermischer Kopplung angeordnet sind, dass zusätzliche äußere Heizstreifen vorgesehen sind, die in gleichem Abstand und parallel zu den zentralen Heizstreifen angeordnet sind, dass alle Heizstreifen gleiche Widerstandswerte bei gleichen Temperaturen aufweisen und in einer Brückenschaltung hintereinander verschaltet sind, dass in zwei Stromzweigen jeweils gleiche Ströme fließen und eine Widerstandsdifferenz von den zentralen Heizstreifen zu den äußeren Heizstreifen zu einer entsprechenden Diagonalspannung in der Brückenschaltung führt.
Durch die thermische Kopplung der zentralen Heizstreifen verhalten diese sich wie ein einziger kompakter Heizstreifen, so dass sichergestellt ist, dass die Arbeitsgleichung des Heizstreifenverfahrens angewendet werden kann. Zur Messung wird an zwei Anschlüssen in der Brückenschaltung eine elektrische Spannung, die sogenannte Brückenspannung, bestimmt, die ein Maß für die Widerstandserhöhung der gekoppelten zentralen Heizstreifen darstellt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Sensors hat den Vorteil, dass das Messsignal, das über eine logarithmische Zeitskale, In t, aufgetragen wird, eine deutliche Abweichung von einem linearen Verlauf erfährt, sobald sich die Temperaturfelder der äußeren Heizstreifen und der zentralen Heizstreifen in der Probe überlagern. Sobald dieser nichtlineare Verlauf der Messkurve auftritt, ist die Messung beendet. Da sich die Nichtlinearität innerhalb einer kurzen Zeitdauer ausbildet, können die Intervallgrenzen des linearisierten Intervalls und damit das linearisierte Intervall sehr präzise bestimmt werden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das deutliche Einsetzen der Nichtlinearität des Messsignals unabhängig von Randbedingungen ist. Es kommt zum Beispiel nicht darauf an, ob die zu untersuchende Probe isotherm oder adiabatisch in seine Umgebung eingebettet ist. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors ist nur darauf zu achten, dass die Breite der zu untersuchenden Probe groß genug ist, um einen Abfluß der Wärme aus der Probe zu verhindern, bevor die Nichtlinearität des Messsignals einsetzt. Bauartbedingt weist der erfindungsgemäße Sensor zudem keine inneren elektrischen Kontakte auf, an denen störende Thermospannungen entstehen können.
Aufgrund gleicher Widerstände der vier Arme der Brückenschaltung in unbelastetem Zustand ist kein Nullabgleich der Messbrücke erforderlich. Dies gilt wegen der symmetrischen Anordnung der Widerstände unabhängig davon, bei welcher Anfangstemperatur der Probe eine Messung beginnt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, dass die Anforderungen an die zu verwendenden Messgeräte erheblich reduziert werden. Da das zu Widerstandsänderungen proportionale Ausgangssignal nur einen geringen Offset enthält, kann es mit einem Voltmeter, dessen Auslösung um zwei Größenordnungen geringer ist, als ein zur direkten Bestimmung der Widerstandsänderung verwendetes Messgerät.
Vorteilhaft ist der Sensor auf einen Träger aus isolierendem Material aufgebracht. Bevorzugte Materialien sind Polyimid oder Polytetrafluorethylen, da sie als dünne Folien ausgebildet werden können. Als geeignete Materialien für Träger haben sich auch Glimmer oder Keramik erwiesen, die vorzugsweise als dünne Platten ausgebildet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Heizstreifen aus einer auf den Träger aufgebrachten Metallfolie hergestellt, beispielsweise aus einer Nickelfolie. Als zweckmäßig haben sich auch auf den Träger gedruckte Metallbahnen erwiesen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor mit sechs Anschlüssen versehen. Beispielsweise werden vier Anschlüssen für die Stromversorgung und zwei für das Messsignal verwendet. Dadurch kann die Symmetrie des Sensors erhöht und können störende Effekte bezüglich der Anschlüsse eliminiert werden.
Zweckmäßig ist der parallele Abstand zwischen den zentralen Heizstreifen sehr viel geringer als der Abstand eines äußeren Heizstreifens zu dem benachbarten zentralen Heizstreifen. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des parallelen Abstandes zwischen den zentralen Heizstreifen zu dem Abstand eines äußeren Heizstreifens und dem benachbarten zentralen Heizstreifen weniger als 1:5, 1:10, 1:20, 1:30,1 oder 1:40.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstreifen aus jeweils zwei elektrisch durch einen schmalen Spalt voneinander getrennten, unterschiedlich langen Leiterstreifen gebildet sind. Bei hinreichend schmalem Spalt verhalten sich die beiden Leiterstreifen thermisch wie ein einziger kompakter Streifen. Dadurch, dass ein längerer Leiterstreifen und ein kürzerer Leiterstreifen, die zusammen einen Heizstreifen bilden, in unterschiedlichen Stromkreisen der Brückenschaltung angeordnet sind, wird nur deren Widerstandsdifferenz für das Messsignal wirksam. Dadurch lassen sich Randeffekte praktisch vollständig eliminieren.
Die Ausbildung zweier Leiterstreifen zu einem Heizstreifen bietet den Vorteil, dass die Leiterstreifen mehrfach abgewinkelt werden können. Dadurch kann die Länge der beiden Leiterstreifen deutlich vergrößert und damit die elektrischen Widerstände erhöht werden, was zu einer Vergrößerung des Messsignals führt.
Zweckmäßig wird das Messsignal von einer Auswerteeinrichtung aufgenommen, wobei die Auswerteeinrichtung zur Erkennung einer Nichtlinearität des Messsignals eingerichtet ist und die Messung gegebenenfalls nach erkannter Nichtlinearität des Messsignals automatisch beendet. Vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinrichtung nach der Beendigung der Messung ein Signal abgibt.
Erfindungsgemäß ist auch eine Sensoranordnung, bestehend aus zwei identischen Brückenanordnungen gemäß Anspruch 1, wobei die beiden Brückenanordnungen einen gemeinsamen Träger aufweisen, auf dessen beiden Seiten die Heizstreifen der beiden Brückenanordnungen spiegelsymmetrisch zum Träger angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet sind. Die beiden Brückenschaltungen können beispielsweise parallel oder gegebenenfalls auch seriell miteinander verschaltet werden. Die Verschaltung wird zweckmäßig durch den Träger hindurch vorgenommen (Durchkontaktierung). Möglich ist es aber auch, Bonddrähte von einer Trägerseite zur anderen zu führen.
Die doppelseitige Anordnung der Brückenschaltungen auf einem gemeinsamen Träger hat den Vorteil, dass die Arbeitsgleichung für das Heizstreifenverfahren anwendbar bleibt, auch wenn Platten als Träger verwendet werden, die erheblich dicker als Folien sind. Besonders geeignet sind Platten aus Keramik oder Glimmer, die auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoranordnung zwischen zwei Isolierfolien eingebettet, die vorzugsweise aus Polyimid oder Polytetrafluorethylen hergestellt sind.
Die vorstehend beschriebene Sensoranordnung ist nicht auf die doppelseitige Anordnung zweier Brückenschaltungen beschränkt. Es ist auch denkbar, an Stelle der Brückenschaltungen zwei Heizstreifen zu verwenden, die aus einem oder mehreren Leiterstreifen bestehen. Entscheidend ist allein, dass die Heizelemente, das heißt die temperaturwirksamen elektrischen Elemente, senkrecht zur Ebene des Trägers fluchten. Unerheblich ist es, wenn ein Heizelement aus mehreren elektrischen Elementen, wie beispielsweise Leiterschleifen, besteht, solange die thermische Kopplung ausreichend stark ist, um die verschiedenen elektrischen Elemente thermisch als ein einziges Heizelement behandeln zu können. Es kommt also nicht darauf an, dass die elektrischen Elemente senkrecht zur Ebene des Trägers fluchten, sondern die thermisch wirksamen Elemente.
In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors,
2 ein elektrisches Schaltbild der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors aus 1,
3 eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors,
3A einen ersten vergrößerten Ausschnitt aus 3,
3B einen zweiten vergrößerten Ausschnitt aus 3,
4 eine vereinfachte Darstellung des Sensors aus 3, und
5 ein elektrisches Schaltbild der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors aus 3.
1 zeigt einen Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, der aus einem Träger 1 eines elektrisch isolierenden Materials besteht, auf dem vier längliche Heizstreifen 2, 3, 4, 5 gleicher Länge und Breite aus einem elektrisch leitfähigen Material, die im Wesentlichen parallel zu ihren Längsseiten aufgebracht sind. Der Träger 1 ist vorzugsweise eine Folie oder Platte aus Polyimid, Polytetrafluorethylen, Glimmer oder Keramik. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie sehr dünn herstellbar sind.
Die beiden Heizstreifen 3 und 4 bilden zentrale Heizstreifen. Die Heizstreifen 2 und 5 sind äußere Heizstreifen, die symmetrisch zu den zentralen Heizstreifen 2 und 4 angeordnet sind. Es ist zu erkennen, dass die parallelen Abstände zwischen jeweils einem äußeren und einem benachbarten zentralen Heizstreifen 2, 3 bzw. 5, 4 deutlich größer ist als der parallele Abstand zwischen den zentralen Heizstreifen 3, 4.
Auf dem Träger 1 sind Leiterbahnen 6, 7, 8, 9 aus elektrisch leitfähigem Material aufgebracht. Die Leiterbahnen 6, 7, 8, 9 sind deutlich breiter und kürzer als die Heizstreifen 2, 3, 4, 5 und orthogonal zu diesen angeordnet. Durch diese Dimensionierung haben die Leitbahnen 6, 7, 8, 9 jeweils einen deutlich geringeren Widerstand als die einzelnen Heizstreifen 2, 3, 4, 5 und geben bei identischem Stromdurchfluß eine sehr viel geringere Wärmeleistung in Form von Joulescher Wärme an ihre Umgebung ab als die Heizstreifen 2, 3, 4, 5. So wird sichergestellt, dass die Wärmeleistung der Leiterbahnen 6, 7, 8, 9 nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ausüben.
Es ist zu erkennen, dass die Leiterbahnen 6, 7 an den oberen Enden der Heizstreifen 2, 3, 4, 5 die Heizstreifen 2 und 3 beziehungsweise 4 und 5 miteinander elektrisch verbinden. Am unteren Ende der Heizstreifen 2, 3, 4, 5 verbindet die Leiterbahn 9 die Heizstreifen 2 und 4, die Leiterbahn 8 die Heizstreifen 3 und 5. Somit sind die Heizstreifen 2, 3, 4, 5 an ihren oberen und unteren Enden nicht in der gleichen Weise durch die Leiterbahnen 6, 7, 8, 9 miteinander elektrisch verbunden. Diese unsymmetrische Verbindung der Heizstreifen 2, 3, 4, 5 ist nur möglich, wenn sich zwei der vier Heizstreifen 2, 3, 4, 5 kreuzen, wobei der Begriff „kreuzen" nicht eine tatsächliche Berührung der beiden Heizstreifen 3 und 4 bedeuten muß, sondern einen Schnittpunkt bei Projektion in die zweidimensionale Ebene bedeutet. In 1 kreuzen sich die Heizstreifen 3 und 4 an dem Kreuzungspunkt 10 und sind an diesem galvanisch voneinander getrennt.
Auf den Leiterbahnen 6, 7, 8, 9 sind vier Anschlüsse 11, 12, 13, 14 in Form von Kreisflächen aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen. Zwischen den Anschlüssen 11 und 12 wird ein Versorgungsstrom I in den Sensor eingespeist. Eine Brückenspannung U wird zwischen den Anschlüssen 13 und 14 bestimmt.
Es ist zu erkennen, dass der Versorgungsstrom I auch zwischen den Anschlüssen 13 und 14 eingespeist und die Brückenspannung U zwischen den Anschlüssen 11 und 12 bestimmt werden kann, da der Sensor in Bezug auf die elektrische Verschaltung der einzelnen Elemente symmetrisch ist.
An die Anschlüsse 13 und 14, an denen bei der Ausführungsform gemäß 1 die Brückenspannung U bestimmt wird, kann zweckmäßig eine Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen werden, die die Brückenspannungen zu vordefinierten Zeitpunkten bestimmt und speichert sowie die einsetzende Nichtlinearität der Messwerte erkennt. Wenn die Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) die einsetzende Nichtlinearität feststellt, kann sie die Messung automatisch beenden.
In 2 ist ein elektrisches Schaltbild der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors aus 1 mit den herkömmlichen Schaltzeichen dargestellt. Die Widerstände R₂, R₃, R₄ und R₅ entsprechen den Widerständen der Heizstreifen 2, 3, 4, 5, wobei der Index der entsprechenden Bezugsziffer des Heizstreifens 2, 3, 4, 5 entspricht. Die Widerstände der Leiterbahnen 6, 7, 8, 9 sind vernachlässigt und nicht als Schaltzeichen dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass die Heizstreifen 2, 3, 4, 5 zu einer sogenannten Wheatstone'schen Brückenschaltung verschaltet sind, bei der jeweils ein Heizstreifen 2, 3, 4, 5 einen Widerstand R₂, R₃, R₄, R₅ in jedem Arm der Wheatstone'schen Brückenschaltung darstellt. Die Brückenspannung U wird zwischen den Anschlüssen 13 und 14, die die Brücke bilden, bestimmt. Der Versorgungsstrom I fließt zwischen den Anschlüssen 11 und 12.
Aus 2 ist leicht zu erkennen, dass die Brückenschaltung aufgrund der gleichen Widerstandswerte R₂, R₃, R₄, R₅ symmetrisch aufgebaut ist und unabhängig von der Anfangstemperatur der umgebenen Probe (nicht dargestellt) in unbela stetem Zustand (I = 0 A) keine Brückenspannung U aufgrund von Thermospannungen oder thermodynamischen Randbedingungen vorhanden ist, die Brücke also abgeglichen ist.
Um die Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe zu beginnen, wird der Sensor mit einem Strom I belastet. Das Messsignal, die Brückenspannung U, ist die elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen 13 und 14 und wird durch die Spannungsabfälle über den Widerständen R₂ und R₃ beziehungsweise R₅ und R₄ bestimmt.
Die Widerstände R₃ und R₄ repräsentieren die zentralen Heizstreifen, sind also thermisch stark gekoppelt, so dass sie sich durch ihre abgegebenen Wärmemengen in Form von Joulescher Wärme gegenseitig zusätzlich erwärmen. Diese zusätzliche Erwärmung erhöht aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Widerstände R₂, R₃, R₄ und R₅ die Widerstände R₃ und R₄ stärker als die Widerstände R₂ und R₅. Trotz der unterschiedlichen Widerstandserhöhungen während einer Messung bleiben die Gesamtwiderstände in beiden Stromzweigen, die durch die Widerstände R₂ und R₄ einerseits und die Widerstände R₃ und R₅ andererseits dargestellt werden, zu jedem Zeitpunkt gleich groß, so dass die Ströme in jedem Stromzweig (R₂, R₄), (R₃, R₅) gleich dem halben Strom I/2 sind. Nach dem Ohm'schen Gesetz sind die Spannungsabfälle über den Widerständen R₂ und R₃ beziehungsweise R₅ und R₄ unterschiedlich groß, so dass sich ein Messsignal für die temperaturabhängige Widerstandsveränderung ausbilden kann.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors und 4 eine vereinfachte schematische Darstellung der Ausführungsform aus 3.
Diese Ausführungsform weist vier längliche Heizstreifen 102, 103, 104, 105 mit gleicher Länge und Breite auf, die parallel zu ihren Längsseiten auf einem Träger (nicht dargestellt) aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht sind. Als Träger kommen insbesondere Folien oder Platten aus Polyimid, Polytetrafluorethylen, Glimmer und Keramik in Frage. Jeder Heizstreifen 102, 103, 104, 105 besteht aus einem ersten Leiterstreifen 102a, 103a, 104a, 105a, und einem zweiten Leiterstreifen 102b, 103b, 104b, 105b. Der erste Leiterstreifen 102a, 103a, 104a, 105a ist deutlich kürzer ausgebildet als der zweite Leiterstreifen 102b, 103b, 104b, 105b; bei dieser Ausführungsform beträgt das Längenverhältnis etwa 1:3, wobei jedoch auch andere Längenverhältnisse in Betracht kommen, beispielsweise 1:4 oder 1:2.
Der erste Leiterstreifen 102a, 103a, 104a, 105a und der zweite Leiterstreifen 102b, 103b, 104b, 105b, die zusammen den Heizstreifen 102, 103, 104, 105, sind elektrisch durch einen schmalen Spalt 102c, 103c, 104c, 105c voneinander getrennt. In 3A ist die Umgebung um den Spalt 102c vergrößert dargestellt und in 3B die Umgebung um den Spalt 104c.
Die Leiterstreifen 102a, 103a, 104a, 105a, 102b, 103b, 104b, 105b sind jeweils einfach abgewickelt mit einer deutlich vergrößerten Länge ausgebildet, wobei diese Ausbildungsform nicht abschließend ist.
Jeder Leiterstreifen 102a, 103a, 104a, 105a, 102b, 103b, 104b, 105b ist mit jeweils zwei Leiterbahnen 106, 106a, 107, 107a, 108, 108a, 109, 109a elektrisch verbunden, beispielsweise der Leiterstreifen 102a mit den Leiterbahnen 106 und 106a. Die Leiterbahnen 106, 106a, 107, 107a, 108, 108a, 109, 109a sind deutlich breiter als die Leiterstreifen 102a, 103a, 104a, 105a, 102b, 103b, 104b, 105b ausgebildet, damit sie einen deutlich geringeren Widerstand haben und weniger Joulesche Wärme abgeben.
In 3 sind sechs Anschlüsse 111, 111a, 112, 112a, 113, 114 erkennbar, die mit den Leiterbahnen 106, 107, 108, 109 elektrisch verbunden sind. Die Anschlüsse 111, 111a, 112, 112a sind für die Stromversorgung des Sensors und die Anschlüsse 113, 114 für die Bestimmung der Brückenspannung U vorgesehen. Das Vorsehen von vier Anschlüsse 111, 111a, 112, 112a für die Stromversorgung hat den Zweck, die Symmetrie des Sensors in Bezug auf seine elektrischen Komponenten zu erhöhen.
5 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors aus 3 und 4 in vereinfachter Form mit den herkömmlichen Schaltzeichen. Die Widerstände R_102a, R_102b, R_103a, R_103b, R_104a, R_104b, R_105a, R_105b entsprechen den Widerständen der Leiterstreifen 102a, 102, 103a, 103, 104a, 104, 105a, 105. Die Widerstände der Leiterbahnen 106, 106a, 107, 107a, 108, 108a, 109, 109a sind vernachlässigt und demzufolge nicht dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass die Widerstände R_102a, R_102b, R_103a, R_103b, R_104a, R_104b, R_105a, R_105b zu einer Wheatstone'schen Brückenschaltung verschaltet sind, bei der jeweils ein Widerstand eines ersten Leiterstreifens 102a, 103a, 104a, 105a und ein Widerstand eines zweiten Leiterstreifens 102, 103, 104, 105 in jedem Arm der Brückenschaltung angeordnet sind, so dass jeder Arm in unbelastetem Zustand (I = 0 A) denselben Gesamtwiderstand aufweist.
Wird eine Messung gestartet, also ein Strom I in den Sensor eingespeist, so erwärmen sich die Widerstände R_103a, R_103b, R_104a, R_104b aufgrund der thermischen Kopplung der Heizstreifen 103 und 104 stärker als die Widerstände R_102a, R_102b, R_105a, R_105b. Zudem sind die Leiterstreifen 103a und 104a kürzer als die Leiterstreifen 103 und 104 sind, wodurch sich ihre Widerstände R_103a, R_103b beziehungsweise R_104a, R_104b voneinander unterscheiden. Dadurch kommt es zu unterschiedlichen Spannungsabfällen über dem Widerstandspaar (R_102b, R_103a) einerseits und dem Widerstandspaar (R_102a, R_103b) andererseits und folglich zu einer Spannung U als Messsignal.
Die Leiterbahnen, Leiterstreifen und Heizstreifen in den Ausführungsbeispielen sind zweckmäßigerweise als gedruckte Leiterbahnen und Leiterstreifen ausgeführt oder aus Metallfolien hergestellt.

Claims

Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe nach dem Heizstreifenverfahren, bei dem ein in der Probe befindlicher Heizstreifen (3, 4, 103, 104) durch einen durchfließenden elektrischen Strom erhitzt und eine dadurch im Kontakt mit der Probe bewirkten Widerstandsänderung ein Messsignal bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstreifen (3, 4, 103, 104) aus zwei zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) gebildet ist, die parallel zueinander in enger thermischer Kopplung angeordnet sind, dass zusätzliche äußere Heizstreifen (2, 5, 102, 105) vorgesehen sind, die in gleichem Abstand und parallel zu den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) angeordnet sind, dass alle Heizstreifen (2, 3, 4, 5, 102, 103, 104, 105) gleiche Widerstandswerte bei gleichen Temperaturen aufweisen und in einer Brückenschaltung hintereinander verschaltet sind, dass in zwei Stromzweigen jeweils gleiche Ströme fließen und eine Widerstandsdifferenz von den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) zu den äußeren Heiz streifen (2, 5, 102, 105) zu einer entsprechenden Diagonalspannung in der Brückenschaltung führt.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor auf einem Träger (1) eines elektrisch isolierenden Materials aufgebracht ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) aus Polyimid oder Polytetrafluorethylen besteht.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) eine Folie ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) aus Glimmer oder Keramik besteht.
Sensor nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) eine dünne Platte ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstreifen (2, 3, 4, 5, 102, 103, 104, 105) aus einer auf den Träger (1) aufgebrachten Metallfolie hergestellt sind.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie eine Nickelfolie ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstreifen (2, 3, 4, 5, 102, 103, 104, 105) auf dem Träger (1) gedruckte Metallbahnen sind.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch sechs Anschlüsse (111, 111a, 112, 112a, 113, 114).
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der parallele Abstand zwischen den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) sehr viel geringer ist als der Abstand eines äußeren Heizstreifens (2, 5, 102, 105) zu dem benachbarten zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des parallelen Abstandes zwischen den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) zu dem Abstand eines äußeren Heizstreifens (2, 5, 102, 105) und dem benachbarten zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) kleiner als 1:5 ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des parallelen Abstandes zwischen den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) zu dem Abstand eines äußeren Heizstreifens (2, 5, 102, 105) und dem benachbarten zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) kleiner als 1:10 ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des parallelen Abstandes zwischen den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) zu dem Abstand eines äußeren Heizstreifens (2, 5, 102, 105) und dem benachbarten zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) kleiner als 1:20 ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des parallelen Abstandes zwischen den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) zu dem Abstand eines äußeren Heizstreifens (2, 5, 102, 105) und dem benachbarten zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) kleiner als 1:30 ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des parallelen Abstandes zwischen den zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) zu dem Abstand eines äußeren Heizstreifens (2, 5, 102, 105) und dem benachbarten zentralen Heizstreifen (3, 4, 103, 104) kleiner als 1:40 ist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstreifen (102, 103, 104, 105) aus jeweils zwei elektrisch durch einen schmalen Spalt (102c, 103c, 104c, 105c) voneinander getrennten Leiterstreifen (102a, 102b, 103a, 103b, 104a, 104b, 105a, 105b) gebildet sind.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal von einer Auswerteeinrichtung aufgenommen wird, wobei die Auswerteeinrichtung zur Erkennung einer Nichtlinearität des Messsignals eingerichtet ist.
Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung die Messung nach erkannter Nichtlinearität des Messsignals beendet.
Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung nach Beendigung der Messung ein Signal abgibt.
Sensoranordnung, bestehend aus zwei identischen Brückenanordnungen gemäß Anspruch 1, wobei die beiden Brückenanordnungen einen gemeinsamen Träger (1) aufweisen, auf dessen beiden Seiten die Heizstreifen (2, 3, 4, 5, 102, 103, 104, 105) der beiden Brückenanordnungen spiegelsymmetrisch zum Träger (1) angeordnet und elektrisch seriell oder parallel miteinander verschaltet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brückenanordnungen durch den Träger (1) hindurch elektrisch miteinander verbunden sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung zwischen zwei Isolierfolien eingebettet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierfolien aus Polyimid oder Polytetrafluorethylen hergestellt sind.