DE102004046020A1 - Gasdruck-Bestimmung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Bestimmung eines Gasdruckes, wobei eine erste Elektrode (21, 28) verwendet wird, die ein katalytisches Material (21) aufweist, sodass Gasteilchen (7) unter Vermittlung des katalytischen Materials (21) ionisiert werden, wobei eine elektrische Messgröße, die abhängig von einer Anzahl und/oder Rate der ionisierten Gasteilchen (5) ist, gemessen wird und wobei aus der gemessenen elektrischen Messgröße der Gasdruck oder eine äquivalente Größe bestimmt wird und/oder die gemessene elektrische Messgröße als Maß für den Gasdruck oder für die äquivalente Größe verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung und einen Sensor zur Bestimmung eines Gasdruckes.
  • Es ist bekannt, den Gasdruck eines Gases zu bestimmen, indem die Verformung, Verschiebung oder Auslenkung eines festen Materials gemessen wird. Die Verformung, Verschiebung oder Auslenkung ist abhängig von der Kraft oder von dem Druck, den das Gas auf das Material ausübt. Entsprechende Sensoren müssen über eine separate Zuleitung mit dem Gasraum verbunden sein, in dem der Druck bestimmt werden soll. Wenn der Gasdruck in Gasleitungen gemessen werden soll, können derartige Sensoren den Gasstrom behindern und/oder umleiten. Ein weiterer Nachteil derartiger Messverfahren ist, dass die Messgenauigkeit von dem Druckbereich abhängig ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Anordnung und einen Sensor zur Bestimmung eines Gasdruckes anzugeben, mit denen ein oder mehrere der genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll die Erfindung die Bestimmung des Gasdruckes von Wasserstoffgas ermöglichen.
  • Es wird vorgeschlagen, eine erste Elektrode zu verwenden die ein katalytisches Material aufweist, sodass Gasteilchen unter Vermittlung des katalytischen Materials ionisiert werden. Beispielsweise entstehen bei Wasserstoffgas und bei Verwendung eines entsprechenden, für das Wasserstoffgas katalytischen Materials Elektronen und positiv geladene Ionen (insbesondere Protonen). Die Erfindung ist jedoch nicht auf Wasserstoffgas beschränkt.
  • Insbesondere ist die erste Elektrode unmittelbar mit Gasteilchen desjenigen Gases in Kontakt, dessen Gasdruck bestimmt werden soll.
  • Einer der möglichen Prozesse, die durch Vermittlung des katalytischen Materials ablaufen können und zur Ionisierung führen, ist das Zerfallen von elektrisch neutralen Gasteilchen in Elektronen und Ionen. Dabei können auch weitere Prozesse oder Prozessketten ablaufen, z. B. die Anlagerung und/oder Einlagerung von Ionen an das bzw. in das katalytische Material. Die Prozesse können insbesondere von dem Anlegen einer elektrischen Spannung abhängig sein.
  • Insbesondere wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine solche erste Elektrode verwendet wird, wobei eine elektrische Messgröße, die abhängig von einer Anzahl und/oder Rate der ionisierten Gasteilchen ist, gemessen wird und wobei aus der gemessenen elektrischen Messgröße der Gasdruck oder eine äquivalente Größe bestimmt wird und/oder die gemessene elektrische Messgröße als Maß für den Gasdruck oder für die äquivalente Größe verwendet wird.
  • Eine Anordnung zur Bestimmung eines Gasdruckes weist die erste Elektrode, eine Messeinrichtung und eine Verarbeitungseinrichtung auf. Die Messeinrichtung dient der Messung einer elektrischen Messgröße, die abhängig von einer Anzahl und/oder Rate der ionisierten Gasteilchen ist. Die Messeinrichtung ist mit der ersten Elektrode verbunden. Die Verarbeitungseinrichtung ist ausgestaltet, den Gasdruck oder eine äquivalente Größe aus der gemessenen elektrischen Messgröße zu bestimmen und/oder die gemessene elektrische Messgröße als Maß für den Gasdruck oder für die äquivalente Größe zu verwenden.
  • Ein Sensor zur Bestimmung eines Gasdruckes weist die erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode fest miteinander verbunden sind und wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode während des Betriebs des Sensors ein unterschiedliches elektrisches Potenzial annehmen können.
  • Im Folgenden wird mehrfach der Ausdruck „Bestimmung des Gasdruckes" verwendet. Darunter wird jeweils auch die Verwendung eines Maßes für den Gasdruck verstanden (z. B. die Verwendung einer von dem Gasdruck abhängigen elektrischen Messgröße) und/oder die Bestimmung einer zu dem Gasdruck äquivalenten Größe verstanden.
  • Zwischen die erste Elektrode und zumindest eine zweite Elektrode kann eine elektrische Spannung gelegt werden, wobei ein auf Grund der Ionisierung der Gasteilchen fließender elektrischer Strom gemessen wird und wobei aus dem gemessenen elektrischen Strom der Gasdruck oder eine äquivalente Größe bestimmt wird. Außer der ersten Elektrode kann somit zumindest eine zweite Elektrode verwendet werden, wobei die Elektroden elektrisch gegeneinander isoliert sind. Auf diese Weise kann die elektrische Spannung an das zumindest eine Elektrodenpaar angelegt werden, sodass sich Ionen und/oder Elektronen in einem resultierenden elektrischen Feld zu einer der Elektroden bewegen. Im Ergebnis werden die Ionen wieder elektrisch neutralisiert und es fließt ein elektrischer Strom, dessen Stärke von der Teilchendichte der ionisierbaren Gasteilchen abhängt und der zumindest näherungsweise in bestimmten Druckmessbereichen proportional zu der Teilchendichte sein kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von zwei Elektroden beschränkt. Vielmehr können beispielsweise auch mehr als zwei Elektroden verwendet werden. Wird ein Elektrodenpaar mit angelegter elektrischer Spannung verwendet, kann eine beliebige der beiden Elektroden das katalytische Material aufweisen oder können beide Elektroden ein katalytisches Material aufweisen.
  • Bei der Bestimmung des Druckes von Wasserstoffgas weist das katalytische Material z. B. ein Metall aus der Gruppe des Periodensystems der Elemente auf, in der sich Platin befindet (z. B. Platin und/oder Palladium). Alternativ oder zusätzlich wird beispielsweise Raney-Nickel (das z. B. durch Behandlung einer Nickel-Legierung mit heißer Natronlauge erzeugt werden kann) für das katalytische Material verwendet.
  • Insbesondere besteht die erste Elektrode aus einem festen Material. Auf flüssige Bestandteile (z. B. Elektrolyte) kann verzichtet werden.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine elektrische Messgröße ausgewertet werden kann, die unmittelbar abhängig von der Teilchendichte der Gasteilchen (und damit abhängig vom Gasdruck bzw. Gas- Partialdruck) ist, die unter Vermittlung des katalytischen Materials ionisierbar sind. Damit kann auf die indirekte Auswertung mechanischer Kräfte oder auf die indirekte Auswertung der Bewegung oder Verformung von Materialien verzichtet werden.
  • Der große Druckmessbereich, in dem der Gasdruck bestimmt werden kann, ist ein weiterer Vorteil der Erfindung. Beispielsweise wird die Messanordnung lediglich in dem jeweiligen Druckmessbereich kalibriert, d. h. das resultierende elektrische Messsignal wird einem Druckwert zugeordnet. Da elektrische Messsignale wie Spannungen, Ströme oder Kapazitäten sehr genau gemessen werden können, kann auch bei der Druckbestimmung eine hohe Genauigkeit erreicht werden.
  • Es wird beispielsweise der Gasdruck eines Gases bestimmt, der im Bereich von mehr als 0,05 bar liegt, insbesondere mehr als 0,1 bar. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für die Anwendung im Vakuum oder Hochvakuumbereich geeignet. Vielmehr tritt der messbare Effekt der Ionisierung von Gasteilchen auch bei höheren Drücken (z. B. bis zu 1000 bar) auf.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die mögliche Miniaturisierung der für die Druckbestimmung erforderlichen Elemente. Insbesondere können mit an sich bekannten Verfahren Elektroden hergestellt werden, die (betrachtet in einer Richtung senkrecht zu ihrer Oberfläche) nur wenige Mikrometer dick sind. Ein geeignetes Trägermaterial zum Tragen der Elektrode ist beispielsweise Silizium. Beispielsweise werden aus der Herstellung von integrierten Schaltkreisen bekannte Verfahren wie z.B. Sputtern, Galvanisieren, Ätzen, Aufdampfen und/oder Abscheiden aus der Gasphase angewendet, um einen Sensor oder eine Anordnung gemäß der Erfindung herzustellen.
  • Die Erfindung kann auch zur indirekten Messung eines Drucks eingesetzt werden, beispielsweise indem ein mit dem ionisierbaren Gas gefüllter Gasraum verwendet wird, wobei der Gasdruck sich abhängig von einem äußeren Druck ändert. Zum Beispiel kann eine Wand des Gasraumes flexibel sein und/oder kann ein von dem äußeren Druck abhängiges Teil (etwa ein Kolben) den Gasraum verkleinern oder vergrößern. Die erste Elektrode ist in dem Gasraum oder am Rand des Gasraumes angeordnet.
  • Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine zweite Elektrode vorgesehen, wobei sich zumindest ein Teil der Gasteilchen in einem Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode befindet und wobei sich die erste Elektrode und die zweite Elektrode während der Bestimmung des Gasdruckes auf unterschiedlichem elektrischem Potenzial befinden.
  • Dabei können die erste Elektrode und die zweite Elektrode über einen zwischen ihnen angeordneten Klebstoff (der z. B. Kunstharz aufweist, insbesondere Epoxydharz) miteinander verbunden sein.
  • Auch die erfindungsgemäße Anordnung und/oder der erfindungsgemäße Sensor können die erste und eine zweite Elektrode aufweisen, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode in einem Abstand zueinander angeordnet sind, sodass ein Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gebildet ist. Der Sensor ist insbesondere derart ausgestaltet, dass das Gas, dessen Gasdruck bestimmt werden soll, in den Zwischenraum eintreten kann. Der Abstand ist bei einer besonderen Ausgestaltung kleiner als 50 Mikrometer oder der Abstand ist kleiner oder gleich 50 Mikrometer. Vorzugsweise kann der Abstand kleiner als (oder kleiner gleich) 10 Mikrometer sein, insbesondere kleiner als (oder kleiner gleich) 5 Mikrometer sein. Der Abstand beträgt z. B. mindestens 2 Mikrometer, insbesondere mindestens 3 Mikrometer.
  • Insbesondere kann sich der Zwischenraum mäanderförmig zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erstrecken. Bei einer derartigen Gestaltung des Zwischenraumes sind die Oberfläche der Elektroden und damit – bei entsprechender Anordnung des katalytischen Materials – die wirksame katalytische Oberfläche im Verhältnis zu den Abmessungen der Anordnung besonders groß. Die zwischen den einander gegenüberstehenden Elektroden gemessene Breite des Zwischenraumes beträgt beispielsweise 5 bis 10 Mikrometer.
  • Alternativ oder zusätzlich ist der Zwischenraum zumindest an einer Seite geschlossen, sodass Gasteilchen an der geschlossenen Seite nicht in den Zwischenraum eintreten oder aus dem Zwischenraum austreten können. Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut für die Messung in einer Gasleitung, da selbst bei großen Strömungsgeschwindigkeiten des Gases zuverlässig und reproduzierbar gemessen werden kann.
  • Die folgende Beschreibung, die sich auf die Ausgestaltung der ersten Elektrode bezieht, gilt analog für eine oder mehrere weitere Elektroden, falls diese vorhanden sind und ein katalytisches Material aufweisen. Dabei können die Elektroden eines Sensors oder einer Anordnung verschieden ausgestaltet sein.
  • Die erste Elektrode kann ein Trägermaterial und eine aus dem katalytischen Material bestehende Oberflächenschicht aufweisen, wobei die (insbesondere gleichmäßig dicke) Oberflächenschicht eine Oberfläche der ersten Elektrode bildet. Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung der ersten Elektrode bildet das katalytische Material eine netzartige Struktur an der Oberfläche der ersten Elektrode. Beispielsweise ist ein Trägermaterial der Elektrode an seiner Oberfläche mit einer Netzstruktur aus dem katalytischen Material versehen.
  • Das (z. B. aus einem Metall hergestellte) Trägermaterial kann elektrisch leitend sein, wobei dann der elektrische Anschluss der Elektrode an der der Oberflächenschicht gegenüber liegenden Seite angeordnet werden kann. Das Trägermaterial kann jedoch auch elektrisch nicht leitend sein und z. B. aus Glas oder Kunststoff bestehen. In diesem Fall wird der elektrische Anschluss der Elektrode an einem Ende der Oberflächenschicht vorgenommen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die erste Elektrode in einer Gasleitung angeordnet sein, in der das Gas, dessen Gasdruck bestimmt werden soll, strömt oder strömen kann. Dies gilt insbesondere für eine miniaturisierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors, dessen äußere Abmessungen zumindest teilweise weniger als 100 Mikrometer betragen, und für eine im Weiteren beschriebene Ausgestaltung des Sensors mit einem in sich geschlossen umlaufenden Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. In beiden Fällen wird die Strömung des Gases durch die Gasleitung nicht oder nur geringfügig behindert oder verändert.
  • Wie bereits erwähnt kann der Sensor so ausgestaltet sein, dass der Zwischenraum in sich geschlossen die erste Elektrode oder die zweite Elektrode umläuft. Insbesondere umfasst die Erfindung auch eine Anordnung mit einer z. B. rohrförmigen Gasleitung, in der dieser Sensor angeordnet ist. Dabei befindet sich der Sensor unmittelbar an der Innenseite der Außenwand der Gasleitung. Bei einer Gasleitung mit zylindrischem Innenraum sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode beispielsweise jeweils wie die Wand eines Hohlzylinders geformt. Dabei ist der Außendurchmesser einer der beiden Elektroden geringer, sodass der Zwischenraum die beiden Elektroden voneinander trennt.
  • Bei einer besonderen Ausgestaltung des Sensors ist in dem Zwischenraum eine Struktur aus einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet, die die erste Elektrode und die zweite Elektrode mechanisch miteinander verbindet, wobei die Struktur eine Mehrzahl von Hohlräumen umrandet. Die Hohlräume erstrecken sich jeweils in Richtung einer Verbindungslinie der beiden einander gegenüberstehenden Elektroden und sind zu beiden Elektroden hin offen und/oder werden durch die Elektroden begrenzt. In den Hohlräumen können sich elektrisch geladene Teilchen in Richtung der Elektroden-Oberflächen bewegen, sodass in einem zwischen den Elektroden vorhandenen elektrischen Feld ein elektrischer Strom fließt.
  • Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode kann eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweisen, sodass Gasteilchen durch die Elektrode hindurch in den Zwischenraum eintreten und aus dem Zwischenraum austreten können.
  • Die Elektrode mit den Durchgangsöffnungen ist insbesondere die innere der beiden Elektroden, sodass Gasteilchen aus dem Innenraum der inneren Elektrode durch die Durchgangsöffnungen hindurch in den Zwischenraum eintreten können und umgekehrt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Einzelne Merkmale und Kombinationen von Merkmalen, die im Folgenden beschrieben werden, können mit den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und Ausführungsform der Erfindung kombiniert werden. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
  • 1 schematisch eine Anordnung zur Bestimmung eines Gasdruckes,
  • 2 schematisch die Bildung von Ionen im Bereich der Oberfläche eines katalytischen Materials,
  • 3 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung des Gasdruckes,
  • 4 eine Draufsicht auf den in 3 dargestellten Sensor,
  • 5 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung des Gasdruckes,
  • 6 eine Draufsicht auf den in 5 dargestellten Sensor,
  • 7 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung des Gasdruckes,
  • 8 einen Querschnitt in einer senkrecht zu der Bildebene von 7 stehenden Schnittebene durch den in 7 dargestellten Sensor, wobei der Querschnitt von 8 etwa in der Mitte der Höhe des in 7 dargestellten Sensors verläuft,
  • 9 einen Querschnitt durch eine Rohrleitung mit einem an der Innenwand der Umleitung angeordneten Sensor und
  • 10 einen Querschnitt entlang dem Verlauf der innen liegenden Elektrode des in 9 gezeigten Sensors.
  • Die in 1 dargestellte Anordnung weist eine erste Elektrode 1 und eine zweite Elektrode 2 auf, die in einem Abstand d zueinander angeordnet sind. Wie nicht näher in der Figur dargestellt ist, sind die Elektroden 1, 2 in einem Gasraum angeordnet. Zumindest eine der Elektroden 1, 2 weist ein katalytisches Material auf. Die erste Elektrode 1 ist über eine elektrische Leitung 9 mit dem Pluspol einer Spannungsquelle U verbunden. Die zweite Elektrode 2 ist über eine elektrische Leitung 8 mit dem Minuspol der Spannungsquelle U verbunden. In dem so gebildeten Stromkreis ist (z. B. in der elektrischen Leitung 9) eine Messeinrichtung M zur Messung des in dem Stromkreis fließenden Stromes angeordnet. Die Messeinrichtung M ist mit einer Verarbeitungseinrichtung V verbunden, durch die der Gasdruck in dem Gasraum ermittelt werden kann und/oder in der der gemessene Stromwert als Maß für den Gasdruck auf andere Weise verarbeitet werden kann.
  • An die Elektroden der Anordnung kann auch eine elektrische Wechselspannung angelegt werden, sodass ein Wechselstrom gemessen wird. Auch eine derartige Messung ermöglicht eine Gasdruckbestimmung.
  • Aus 2 ist ein möglicher Prozess erkennbar, der unter Vermittlung eines katalytischen Materials in einem Gasraum stattfindet, beispielsweise in dem Gasraum der Anordnung in 1. Ein Wasserstoffmolekül 7 befindet sich in dem Gasraum und gelangt in die Nähe einer Elektrode, beispielsweise der ersten Elektrode 1 gemäß 1. Die Elektrode weist eine Oberflächenschicht 21 aus katalytischem Material und ein Trägermaterial 28 auf. Alternativ zu der Oberflächenschicht 21 kann eine andersartige Struktur aus katalytischem Material vorgesehen sein, z. B. eine netzartige Struktur, und/oder kann das Trägermaterial selbst katalytisch wirksam sein (z. B. aus einer Legierung mit einem katalytischen Material bestehen), sodass keine zusätzliche Oberflächenschicht oder Oberflächenstruktur erforderlich ist.
  • Aufgrund des katalytischen Materials werden Wasserstoffmoleküle in Protonen 5 und Elektronen 6 zerlegt. Wenn in dem Gasraum ein elektrisches Feld (wie in dem in 1 dargestellten Fall) vorhanden ist, fließen z. B. die Protonen 5 zu einer zweiten Elektrode (z. B. der Elektrode 2 in 1) und werden die Elektronen 6 unmittelbar an der Elektrode (z. B. der Elektrode 1 in 1) mit dem katalytischen Material abgeführt. An der zweiten Elektrode nehmen die Protonen 5 ein Elektron 6 auf und es entstehen Wasserstoffmoleküle.
  • In einem anderen Fall können jedoch auch negativ geladene Ionen oder Elektroden durch Vermittlung des katalytischen Materials einer Elektrode erzeugt werden und diese negativ geladenen Teilchen zu einer anderen Elektrode wandern.
  • Der in 3 dargestellte Sensor 20 weist eine erste Elektrode 26 und eine zweite Elektrode 27 auf, die jeweils eine ebene Oberfläche aufweisen. Diese ebenen Oberflächen der Elektroden 26, 27 sind parallel zueinander angeordnet und stehen einander gegenüber, sodass ein Zwischenraum 25 gebildet ist. Der Abstand e der ebenen Oberflächen ist in einem Ausführungsbeispiel konstant (d. h. variiert nicht entlang der Oberflächen) und beträgt 5 bis 10 Mikrometer. Um den Abstand e auch zeitlich konstant zu halten (z. B. bei variierenden Drücken) ist der Zwischenraum 25 jeweils an den in 3 erkennbaren gegenüberliegenden Enden geschlossen, sodass die erste Elektrode 26 und die zweite Elektrode 27 über einen Klebstoff 23 (z. B. Epoxydharz) miteinander verbunden sind.
  • Die ebenen Oberflächen werden durch eine Oberflächenschicht 21 (der ersten Elektrode 26) bzw. durch eine Oberflächenschicht 22 (der zweiten Elektrode 27) gebildet. Die Oberflächenschichten 21, 22 bestehen jeweils aus einem katalytischen Material (z. B. aus Platin oder Raney-Nickel) und haben eine gleichmäßige Dicke d, die z. B. im Bereich von 1 bis 5 Mikrometer liegt. Sie werden jeweils von einer Trägerschicht 28 (der ersten Elektrode 26) bzw. von einer Trägerschicht 29 (der zweiten Elektrode 27) getragen.
  • Die Trägerschichten haben jeweils eine gleichmäßige Dicke c, die z. B. im Bereich von 0,5 bis 1 mm liegt, und bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. aus einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer oder Silber).
  • Schematisch ist in 3 wiederum die in 1 gezeigte elektrische Anordnung dargestellt. Um die elektrischen Leitungen 8, 9 an die Elektroden 26, 27 anzuschließen, sind Kontaktierungsflächen 24, 24b an den (aus Sicht des Zwischenraumes 25) rückwärtigen Oberflächen der Elektroden 26, 27 angeordnet, die mit den Leitungen 8, 9 verbunden sind. Sie bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. aus einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer oder Silber).
  • Die Oberflächenschichten 21, 22 werden beispielsweise durch Galvanisieren, Sputtern und/oder Aufdampfen des katalytischen Materials auf die Trägerschichten 28, 29 hergestellt. Anschließend werden die Kontaktierungsflächen 24, 24b beispielsweise durch Ätzen und Aufdampfen erzeugt. Die beiden Elektroden 26, 27 können anschließend miteinander verklebt werden (Klebstoff 23).
  • Der in 3 dargestellte Sensor 20 kann in einem mit Wasserstoff gefüllten Gasraum angeordnet werden und insbesondere wie in 1 schematisch dargestellt elektrisch angeschlossen werden. Bei einem Wasserstoffdruck, der in einem Druckbereich von 1 bar bis 100 bar liegt, wird z. B. eine Spannungsquelle U so eingestellt, dass die an den Elektroden 26, 27 des Sensors 20 anliegende Gleichspannung im Bereich von 10 Volt bis 20 Volt liegt. Bei einem Versuch unter diesen Bedingungen konnte der Wasserstoffdruck reproduzierbar aus dem mit der Messeinrichtung M gemessenen elektrischen Strom bestimmt werden.
  • 4 zeigt eine Draufsicht auf die erste Elektrode 26. Die Breite a und die Länge b liegen in dem Ausführungsbeispiel in den Bereichen 1 bis 20 mm für die Breite a und 1 bis 20 mm für die Länge b. Gasteilchen können insbesondere von der in der Figur unten liegenden Seite (wie durch Pfeile angedeutet ist) in den Zwischenraum 25 eintreten.
  • 5 und 6 zeigen eine Variante (Sensor 30) des in 3 und 4 dargestellten Sensors 20. Im Folgenden wird auf die Unterschiede eingegangen. Die Trägerschicht 38 (der ersten Elektrode 36) und die Trägerschicht 39 (der zweiten Elektrode 37) bestehen aus elektrisch nicht leitendem Material, z. B. aus Silizium, einem Kunststoff und/oder aus einem amorphen Material (wie z. B. Glas). Die Oberflächenschichten 31, 32 aus katalytischem Material können in gleicher Weise ausgestaltet sein und hergestellt werden.
  • Kontaktierungsschichten 34, 34b zum elektrischen Anschließen der Oberflächenschichten 31, 32 an die Leitungen 8, 9 können seitlich (z. B. an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten) der Elektroden 36, 37 angeordnet sein. Dabei grenzen die Kontaktierungsschichten 34, 34b in dem Ausführungsbeispiel sowohl an die Trägerschichten 38, 39 als auch an die Oberflächenschichten 31, 32 an.
  • Der in 7 und 8 dargestellte Sensor 40 weist einen Träger 49 auf, der vorzugsweise aus zwei Stücken gefertigt ist. In 7 ist unten ein erstes Teilstück 49a des Trägers 49 dargestellt und ist oben ein zweites Teilstück 49b des Trägers 49 dargestellt. Der Träger 49 ist aus elektrisch nicht leitendem Material hergestellt, beispielsweise aus den bereits zu 5 genannten Materialien der Trägerschichten. In die Teilstücke 49a, 49b sind jeweils mäanderförmig verlaufende Ausnehmungen eingebracht, die im Ergebnis einen ebenfalls mäanderförmig verlaufenden Zwischenraum 45 in dem Träger 49 bilden, wobei der Zwischenraum 45 durch zwei einander gegenüberliegende Oberflächen im Inneren des Trägers 49 berandet ist. Diese Oberflächen sind jeweils durch eine durchgehende Oberflächenschicht 41, 42 aus elektrisch leitendem Material gebildet, wobei zumindest eine der Oberflächenschichten 41, 42 ein katalytisches Material aufweist.
  • Die Oberflächenschichten 41, 42 werden vor dem Zusammenfügen der Teilstücke 49a, 49b aufgebracht. Die Oberflächenschichten 41, 42 werden beispielsweise durch Sputtern und/oder Aufdampfen des katalytischen Materials auf die Trägerschichten 49a, 49b hergestellt.
  • Wie aus dem Querschnitt von 8 erkennbar ist, kann der Zwischenraum 45 aus Gründen der besseren Herstellbarkeit mehrere Öffnungen 48a bis 48d an der Außenseite des Trägers 49 aufweisen, von denen ein Teil (Öffnungen 48a und 48b) verschlossen sein kann. Durch die nicht verschlossenen Öffnungen 48c und 48d kann Gas in den Zwischenraum 45 eintreten. Weiterhin können, wie aus 7 erkennbar ist, Abschnitte des Zwischenraumes 45 mit einem elektrisch nicht leitenden Material 43 gefüllt sein.
  • Vorzugsweise ist der Abstand e zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen, die zwischen sich den Zwischenraum 45 einschließen, etwa konstant und liegt z. B. im Bereich 5 bis 10 Mikrometer.
  • 9 zeigt eine im Querschnitt kreisförmige Rohrleitung mit einer Rohrwand 59. Unmittelbar an der Innenseite der Rohrwand 59 ist ein Sensor 50 angeordnet. Der Sensor 50 weist eine innere Zylinderwand 56 als erste Elektrode und eine äußere Zylinderwand 57 als zweite Elektrode auf. Die Zylinderwände 56, 57 sind konzentrisch zur gemeinsamen Längsachse angeordnet, sodass ein Zwischenraum 55 zwischen den Zylinderwänden 56, 57 eingeschlossen ist. Um den Abstand zwischen den Zylinderwänden örtlich und zeitlich konstant zu halten, ist zwischen den Zylinderwänden 56, 57 eine Abstützung 53 aus einem elektrisch nicht leitendem Material angeordnet, über die die Zylinderwände 56, 57 an einer Vielzahl von Stellen miteinander verbunden sind, insbesondere in regelmäßigen Abständen. Beispielsweise kann die Abstützung eine netzartige Struktur aufweisen, sodass die Zylinderwände 56, 57 über quer zueinander verlaufende linienartige Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind.
  • Zumindest eine der Zylinderwände 56, 57 weist an ihrer den Zwischenraum 55 begrenzenden Oberfläche ein katalytisches Material auf. In dem konkreten Ausführungsbeispiel weist die innere Zylinderwand 56 an ihrer Außenseite eine Oberflächenschicht 51 aus katalytischem Material auf und weist die äußere Zylinderwand 57 an ihrer Innenseite ebenfalls eine Oberflächenschicht 52 aus katalytischem Material auf.
  • Die Dicken bzw. der Abstand (gemessen in radialer Richtung) betragen beispielsweise: Dicke a1 der inneren Zylinderwand im Bereich von 5 bis 10 Mikrometer; Abstand b1 der Zylinderwände, d. h. Breite des Zwischenraumes 55, im Bereich von 50 bis 100 Mikrometer; Dicke c1 jeweils der Oberflächenschichten 51 und 52 im Bereich von 1 bis 5 Mikrometer; Dicke d1 der äußeren Zylinderwand im Bereich von 5 bis 10 Mikrometer.
  • Wie der in 10 gezeigte Querschnitt entlang der in Umfangsrichtung gekrümmt verlaufenden inneren Zylinderwand 56 zeigt, weist die innere Zylinderwand 56 eine Vielzahl von in radialer Richtung verlaufende Durchgangsbohrungen auf, von denen zwei mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnet sind und durch die Gasteilchen hindurch treten können (in radialer Richtung von dem Raum innerhalb der Zylinderwand 56 in den Zwischenraum 55 und umgekehrt). Die Abstände g und/oder die Durchmesser der Durchgangsbohrungen 58 liegen beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 1mm.
  • Zum elektrischen Anschließen der Elektroden weist die Rohrwand 59 zumindest eine Durchgangsöffnung 60 auf. Um die durch die innere Zylinderwand 56 gebildete Elektrode elektrisch anzuschließen, ist ebenfalls zumindest eine Durchgangsöffnung (nicht in 9 dargestellt) in der äußeren Zylinderwand 57 vorgesehen.
  • Durchgangsbohrungen in einer Elektrode (die z. B. einen Träger und eine elektrisch leitfähige Oberflächenschicht aufweist), sodass Gasteilchen insbesondere in einen Zwischenraum zwischen zwei Elektroden hineintreten können, können auch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung vorhanden sein. Sie erlauben allgemein die Anordnung eines Sensors dicht an anderen Gegenständen und Einrichtungen und behindern insbesondere den Gasstrom in Gasleitungen nur geringfügig.
  • Weiterhin wird allgemein bevorzugt, dass zumindest eine Außenabmessung des erfindungsgemäßen Sensors (z. B. die Dicke, gemessen in Richtung des Abstandes der zwei Elektroden) höchstens 300 Mikrometer, insbesondere höchstens 100 Mikrometer beträgt.

Claims (23)

  1. Verfahren zur Bestimmung eines Gasdruckes, • wobei eine erste Elektrode (26) verwendet wird, die ein katalytisches Material aufweist, sodass Gasteilchen unter Vermittlung des katalytischen Materials ionisiert werden, • wobei eine elektrische Messgröße, die abhängig von einer Anzahl und/oder Rate der ionisierten Gasteilchen ist, gemessen wird und • wobei aus der gemessenen elektrischen Messgröße der Gasdruck oder eine äquivalente Größe bestimmt wird und/oder die gemessene elektrische Messgröße als Maß für den Gasdruck oder für die äquivalente Größe verwendet wird.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (26) unmittelbar mit Gasteilchen desjenigen Gases in Kontakt ist, dessen Gasdruck bestimmt werden soll.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (26) aus einem festen Material besteht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen die erste Elektrode (26) und zumindest eine zweite Elektrode (27) eine elektrische Spannung gelegt wird, wobei ein auf Grund der Ionisierung der Gasteilchen fließender elektrischer Strom gemessen wird und wobei aus dem gemessenen elektrischen Strom der Gasdruck oder eine äquivalente Größe bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite Elektrode (27) vorgesehen ist, wobei sich zumindest ein Teil der Gasteilchen in einem Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode (26) und der zweiten Elektrode (27) befindet und wobei sich die erste Elektrode (26) und die zweite Elektrode (27) während der Bestimmung des Gasdruckes auf unterschiedlichem elektrischem Potenzial befinden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasdruck eines Gases bestimmt wird, der im Bereich von mehr als 0,05 bar liegt, insbesondere mehr als 0,1 bar.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (26) ein Trägermaterial (28) und eine aus dem katalytischen Material bestehende Oberflächenschicht (21) aufweist und wobei die Oberflächenschicht (21) eine Oberfläche der ersten Elektrode bildet.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen der ersten Elektrode (26) und einer zweiten Elektrode (27) kleiner als 50 Mikrometer ist oder der Abstand kleiner oder gleich 50 Mikrometer ist.
  9. Anordnung zur Bestimmung eines Gasdruckes, mit • einer ersten Elektrode (26), die ein katalytisches Material aufweist, sodass Gasteilchen unter Vermittlung des katalytischen Materials ionisiert werden können, • einer Messeinrichtung (M) zur Messung einer elektrischen Messgröße, die abhängig von einer Anzahl und/oder Rate der ionisierten Gasteilchen ist, wobei die Messeinrichtung (M) mit der ersten Elektrode (26) verbunden ist, und • einer Verarbeitungseinrichtung (V), die ausgestaltet ist, den Gasdruck oder eine äquivalente Größe aus der gemessenen elektrischen Messgröße zu bestimmen und/oder die gemessene elektrische Messgröße als Maß für den Gasdruck oder für die äquivalente Größe zu verwenden.
  10. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (56) in einer Gasleitung (59) angeordnet ist, in der das Gas, dessen Gasdruck bestimmt werden soll, strömt oder strömen kann.
  11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (26) ein Trägermaterial (28) und eine aus dem katalytischen Material bestehende Oberflächenschicht (21) aufweist und wobei die Oberflächenschicht (21) eine Oberfläche der ersten Elektrode (26) bildet.
  12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen der ersten Elektrode (26) und einer zweiten Elektrode (27) kleiner als 50 Mikrometer ist oder der Abstand kleiner oder gleich 50 Mikrometer ist und wobei die erste Elektrode (26) und die zweite Elektrode (27) auf unterschiedlichem elektrischem Potenzial liegen können.
  13. Sensor zur Bestimmung eines Gasdruckes, mit • einer ersten Elektrode (26), die ein katalytisches Material aufweist, sodass Gasteilchen unter Vermittlung des katalytischen Materials ionisiert werden können, und • einer zweiten Elektrode (27), wobei die erste Elektrode (26) und die zweite Elektrode (27) fest miteinander verbunden sind und wobei die erste Elektrode (26) und die zweite Elektrode (27) während des Betriebs des Sensors ein unterschiedliches elektrisches Potenzial annehmen können.
  14. Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (26) und die zweite Elektrode (27) in einem Abstand zueinander angeordnet sind, sodass ein Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode (26) und der zweiten Elektrode (27) gebildet ist, und wobei der Sensor derart ausgestaltet ist, dass das Gas, dessen Gasdruck bestimmt werden soll, in den Zwischenraum eintreten kann.
  15. Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zwischenraum (45) sich mäanderförmig zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erstreckt.
  16. Sensor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenraum (45) zumindest an einer Seite geschlossen ist, sodass Gasteilchen an der geschlossenen Seite nicht in den Zwischenraum (45) eintreten oder aus dem Zwischenraum (45) austreten können.
  17. Sensor nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenraum (55) in sich geschlossen die erste Elektrode (56) oder die zweite Elektrode umläuft.
  18. Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Zwischenraum (55) eine Struktur (53) aus einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet ist, die die erste Elektrode (56) und die zweite Elektrode mechanisch miteinander verbindet, und wobei die Struktur (53) eine Mehrzahl von Hohlräumen umrandet.
  19. Sensor nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (56) und/oder die zweite Elektrode eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (58) aufweist, sodass Gasteilchen durch die Elektrode hindurch in den Zwischenraum (55) eintreten und aus dem Zwischenraum (55) austreten können.
  20. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (26) und die zweite Elektrode (27) über einen zwischen ihnen angeordneten Klebstoff (23) miteinander verbunden sind.
  21. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das katalytische Material eine netzartige Struktur an der Oberfläche der ersten Elektrode bildet.
  22. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (26) ein Trägermaterial (28) und eine aus dem katalytischen Material bestehende Oberflächenschicht (21) aufweist und wobei die Oberflächenschicht (21) eine Oberfläche der ersten Elektrode (26) bildet.
  23. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen der ersten Elektrode (26) und der zweiten Elektrode (27) kleiner als 50 Mikrometer ist oder der Abstand kleiner oder gleich 50 Mikrometer ist.
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