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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung und einen Sensor
zur Bestimmung eines Gasdruckes.
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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.
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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.
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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.
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Insbesondere
ist die erste Elektrode unmittelbar mit Gasteilchen desjenigen Gases
in Kontakt, dessen Gasdruck bestimmt werden soll.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Insbesondere
besteht die erste Elektrode aus einem festen Material. Auf flüssige Bestandteile (z.
B. Elektrolyte) kann verzichtet werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 schematisch
eine Anordnung zur Bestimmung eines Gasdruckes,
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2 schematisch
die Bildung von Ionen im Bereich der Oberfläche eines katalytischen Materials,
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3 einen
Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Sensors zur
Bestimmung des Gasdruckes,
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4 eine
Draufsicht auf den in 3 dargestellten Sensor,
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5 einen
Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Sensors zur
Bestimmung des Gasdruckes,
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6 eine
Draufsicht auf den in 5 dargestellten Sensor,
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7 einen
Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Sensors zur
Bestimmung des Gasdruckes,
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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,
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9 einen
Querschnitt durch eine Rohrleitung mit einem an der Innenwand der
Umleitung angeordneten Sensor und
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10 einen
Querschnitt entlang dem Verlauf der innen liegenden Elektrode des
in 9 gezeigten Sensors.
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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.
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An
die Elektroden der Anordnung kann auch eine elektrische Wechselspannung
angelegt werden, sodass ein Wechselstrom gemessen wird. Auch eine derartige
Messung ermöglicht
eine Gasdruckbestimmung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.