DE102005026009B3

DE102005026009B3 - Heat conductivity sensor for measuring heat conductivity of a gas and including a heat exchanger element

Info

Publication number: DE102005026009B3
Application number: DE200510026009
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Grimm; Andres Dr. Tönnesmann; Dirk Dr. Hunkel
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-06-08

Abstract

The sensor has a gas chamber (12) in a housing (10) and a heater element (16) and temperature measuring element (22) in the chamber. An opening (14) is provided in the housing connected to the gas chamber. A heat exchanger element (26) at least partially covers the opening.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeleitfähigkeitssensor.The The invention relates to a thermal conductivity sensor.

Wärmeleitfähigkeitssensoren weisen einen durch ein Gehäuse gebildeten Gasraum auf. In dem Gasraum ist ein Heizelement sowie ein Temperaturmesselement angeordnet. Durch eine Öffnung in dem Gehäuse strömt das zu untersuchende Gas in den Gasraum. Wärmeleitfähigkeitssensoren werden üblicherweise zur Bestimmung der Zusammensetzung von Fluidgemischen, insbesondere Gasgemischen, eingesetzt. Ein typisches Einsatzgebiet ist die Labortechnik.thermal conductivity sensors have one through a housing formed gas space. In the gas space is a heating element as well arranged a temperature measuring element. Through an opening in the casing flows the gas to be tested in the gas space. Thermal conductivity sensors become common for determining the composition of fluid mixtures, in particular Gas mixtures, used. A typical field of application is laboratory technology.

Da die Wärmeleitfähigkeit eines Gases von dessen Temperatur abhängig ist, werden die Messergebnisse eines Wärmeleitfähigkeitssensors durch Temperaturschwankungen beeinflusst. Dies ist insbesondere in Einsatzgebieten mit hohen Temperaturgradienten, wie beispielsweise in einem Motorraum eines Kraftfahrzeuges nachteilig. Der selbe Nachteil besteht in Zuleitungen strömender Medien mit zeitlich schwankenden Temperaturen.There the thermal conductivity a gas depends on its temperature, the measurement results a thermal conductivity sensor influenced by temperature fluctuations. This is special in high temperature gradient applications such as in an engine compartment of a motor vehicle disadvantageous. The same disadvantage exists flowing in supply lines Media with time-varying temperatures.

DE 103 18 450 beschreibt eine Messzelle für einen Analysator zum Nachweis von gasförmigen oder flüssigen Medien durch Messen der Wärmeleitfähigkeit mit einem vorgeschalteten Gegenstromwärmetauscher. Dieser besteht aus zwei parallel geführten Rohrleitungen aus wärmeleitendem Material, wobei das eine Rohr mit der Einlassöffnung und das andere Rohr mit der Auslassöffnung der Messzelle verbunden ist. DE 103 18 450 describes a measuring cell for an analyzer for the detection of gaseous or liquid media by measuring the thermal conductivity with an upstream countercurrent heat exchanger. This consists of two parallel pipelines made of thermally conductive material, wherein one tube is connected to the inlet opening and the other tube to the outlet opening of the measuring cell.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeleitfähigkeitssensor zu schaffen, mit dem auch bei hohen Temperaturgradienten und/oder in strömenden Medien eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden kann.task The invention is a thermal conductivity sensor with which even at high temperature gradients and / or in pouring Media a high accuracy can be achieved.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The solution The object is achieved according to the invention by the features of the claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitssensor ist die Öffnung, durch die das Messgas in den Gasraum einströmt oder eindiffundiert, zumindest teilweise von einem Wärmetauscherelement überdeckt. Durch das Wärmetauscherelement wird dem in den Gasraum eindringenden Gas je nach Temperaturunterschied Wärme zugeführt oder entzogen. Dies hat zur Folge, dass die Temperaturschwankungen innerhalb des Gasraums verringert sind. Da die Wärmeleitfähigkeit des Gases temperaturabhängig ist, können durch das Vorsehen des Wärmetauschers die Messergebnisse erheblich verbessert werden.at the thermal conductivity sensor according to the invention is the opening, through which the sample gas flows or diffuses into the gas space, at least partially covered by a heat exchanger element. Through the heat exchanger element becomes the gas entering the gas space depending on the temperature difference Heat supplied or withdrawn. As a result, the temperature fluctuations within the gas space are reduced. Since the thermal conductivity of the gas is temperature-dependent, can by providing the heat exchanger the measurement results are significantly improved.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Vorsehens des Wärmetauscherelementes besteht darin, dass eine Strömungsberuhigung im Gasraum erfolgt. Dies ist insbesondere bei strömendenden Außenmedien vorteilhaft.One Another advantage of the provision according to the invention of the heat exchanger element is that a flow calming takes place in the gas space. This is especially true in flowing outdoor media advantageous.

Vorzugsweise ist die gesamte Öffnung von dem Wärmetauscherelement überdeckt, so dass das gesamte Messgas das Wärmetauscherelement passieren muss. Hierdurch ist die Messgenauigkeit weiter verbessert.Preferably is the entire opening covered by the heat exchanger element, so that the entire sample gas pass through the heat exchanger element got to. As a result, the measurement accuracy is further improved.

Besonders bevorzugt ist es, dass das Wärmetauscherelement im Wesentlichen die Arbeitstemperatur des Wärmeleitfähigkeitssensors aufweist. Die Arbeitstemperatur des Sensors entspricht der Temperatur der Wärmesenke des Wärmeleitfähigkeitssensors, wobei die Wärmesenke insbesondere die Innenwand des Gasraums ist. Insbesondere befindet sich die Wärmesenke in demjenigen Bereich des Wärmeleitfähigkeitssensors, in dem das Temperaturmesselement angeordnet ist.Especially it is preferred that the heat exchanger element essentially has the working temperature of the thermal conductivity sensor. The Operating temperature of the sensor corresponds to the temperature of the heat sink the thermal conductivity sensor, the heat sink in particular, the inner wall of the gas space. In particular is located the heat sink in that area of the thermal conductivity sensor, in which the temperature measuring element is arranged.

Vorzugsweise ist das Wärmetauscherelement daher thermisch mit dem Gehäuse, insbesondere mit einer Innenwand des Gasraums, gekoppelt. Da hierdurch die Temperatur des Wärmetauschers im Wesentlichen der Temperatur der Wärmsenke, d. h. der Arbeitstemperatur des Sensors entspricht, kann die Genauigkeit der Messergebnisse deutlich verbessert werden. Hierbei erfolgt die Verbindung des Wärmetauscherelementes mit dem Gehäuse und/oder der zumindest einen Innenwand des Gasraums über eine thermisch gut leitfähige Verbindung. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Wärmeleitfähigkeitskleber, Lötverbindungen und/oder Schweißverbindungen.Preferably is the heat exchanger element therefore thermally with the housing, in particular with an inner wall of the gas space, coupled. Because of this the temperature of the heat exchanger in Essentially the temperature of the heat sink, d. H. the working temperature of the sensor, the accuracy of the measurement results be significantly improved. In this case, the connection of the heat exchanger element takes place with the housing and / or the at least one inner wall of the gas space via a thermally highly conductive connection. The Connection is preferably carried out with the aid of thermal conductivity adhesive, solder joints and / or Welded joints.

Bei dem Wärmetauscher handelt es sich vorzugsweise um ein gasdurchlässiges Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Hierbei ist die Gasdurchlässigkeit des Wärmetauschers vorzugsweise derart gewählt, dass die Ansprechzeit des Sensors nicht durch Diffusion des Gases durch den Wärmetauscher beeinträchtigt wird. Die Gasdurchlässigkeit des Wärmetauschers ist stark abhängig von dem zu untersuchenden Fluidgemisch und muss daher experimentell bestimmt werden.at the heat exchanger it is preferably a gas-permeable material with high thermal conductivity. Here is the gas permeability of the heat exchanger preferably chosen such that the response time of the sensor is not due to diffusion of the gas through the heat exchanger impaired becomes. The gas permeability of the heat exchanger is highly dependent of the fluid mixture to be examined and therefore has to be experimental be determined.

Gute Ergebnisse konnten mit einem Wärmetauscher erzielt werden, der bei einem Druckunterschied von 2 mbar eine Gasdurchlässigkeit von

aufweist. Hierbei betrug die Wärmeleitfähigkeit

und das Oberflächen-/Volumenverhältnis ca. 60mm^–1.Good results could be achieved with a heat exchanger, which at a pressure difference of 2 mbar, a gas permeability of

having. Here, the thermal conductivity was

and the surface / volume ratio is about 60mm ^-1 .

Insbesondere sind als Wärmetauscherelemente Metallgitter, Sintermetalle und/oder Metallgewebe und/oder Metalldrahtgeflecht geeignet.Especially are as heat exchanger elements Metal mesh, sintered metals and / or metal mesh and / or metal wire mesh suitable.

Da mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitsensors das Messgas im Wesentlichen auf die Temperatur der Wärmesenke gebracht werden kann, ist die Stabilität des Wärmeleitfähigkeitssensors im Bezug auf die Temperaturschwankungen, insbesondere kurzfristige Temperaturänderungen, erhöht. Hierdurch ist das Einsatzgebiet des Wärmeleitfähigkeitssensors verbessert. Beispielsweise ist der erfindungsgemäße Wärmeleitfähigkeitssensor auch im Motorraum eines Fahrzeuges einsetzbar. Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht zur Detektion von Leckagen an Brennstoffzellen. Hierbei tritt durch die Leckage heiße, feuchte Luft aus.There with the aid of the thermal conductivity sensor according to the invention the sample gas essentially to the temperature of the heat sink can be brought, is the stability of the thermal conductivity sensor with respect to the temperature fluctuations, in particular short-term temperature changes, elevated. As a result, the application of the thermal conductivity sensor is improved. For example, the thermal conductivity sensor according to the invention is also in the engine compartment a vehicle used. Another application exists for the detection of leaks in fuel cells. This occurs hot by the leak, moist air out.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.following The invention is based on a preferred embodiment explained in more detail with reference to the accompanying drawings.

Die Figur zeigt eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmeleitfähigkeitssensors.The FIG. 1 shows a schematic sectional view of a preferred embodiment the thermal conductivity sensor.

Der Wärmeleitfähigkeitssensor weist ein Gehäuse 10 auf, in dem ein Gasraum 12 ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gasraum bis auf eine Öffnung 14 vollständig geschlossen. Innerhalb des Gasraums 12 ist ein Heizelement 16 angeordnet, wobei das Heizelement 16 im dargestellten Ausführungsbeispiel über Halteelemente 18 in einem Abstand zu den Innenwänden 20 des Gasraums 12 angeordnet ist. An einer der Innenwände 20 des Gasraums 12 ist ein Temperaturmesselement 22 angeordnet. Sowohl das Heizelement 16 als auch das Temperaturmesselement 22 sind über Leitungen elektrisch mit einer Steuereinrichtung 24 verbunden. Durch die Steuereinrichtung 24 kann das Heizelement gesteuert und ggf. die Temperatur des Heizelementes bestimmt werden. Über die elektrische Verbindung des Temperaturmesselementes 22 werden die Messergebnisse des Temperaturmesselementes an die Steuereinrichtung 24 übermittelt. Die Steuereinrichtung 24 kann somit die entsprechenden Messungen des Wärmeleitfähigkeitssensors und die hierzu erforderlichen Berechnungen durchführen.The thermal conductivity sensor has a housing 10 on, in which a gas space 12 is trained. In the illustrated embodiment, the gas space is up to an opening 14 completely closed. Inside the gas space 12 is a heating element 16 arranged, wherein the heating element 16 in the illustrated embodiment via holding elements 18 at a distance to the inner walls 20 of the gas space 12 is arranged. On one of the inner walls 20 of the gas space 12 is a temperature measuring element 22 arranged. Both the heating element 16 as well as the temperature measuring element 22 are electrically via lines with a control device 24 connected. By the control device 24 the heating element can be controlled and if necessary the temperature of the heating element can be determined. About the electrical connection of the temperature measuring element 22 the measurement results of the temperature measuring element to the controller 24 transmitted. The control device 24 can thus perform the appropriate measurements of the thermal conductivity sensor and the calculations required for this purpose.

Erfindungsgemäß ist ein Wärmetauscherelement 26 vorgesehen, bei dem es sich um ein gasdurchlässiges Material handelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel überdeckt das Wärmetauscherelement 26 die Öffnung 16 vollständig. Dies hat zur Folge, dass Gas, das in den Gasraum 12 einströmt, durch den Wärmetauscher hindurchströmen muss und hierbei im Wesentlichen auf die Temperatur der Wärmesenke, d. h. des Gehäuses 10 insbesondere der Innenwand 20 gebracht wird. Hierzu ist der Wärmetauscher 26 über eine thermisch leitfähige Verbindung 28 mit dem Gehäuse verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher auf einer Außenseite 30 des Gehäuses 10 angeordnet und großflächig mit der Außenseite 30 verbunden. Hierdurch ist eine gute thermische Kopplung zwischen dem Wärmetauscher 26 und dem Gehäuse 10 gewährleistet.According to the invention is a heat exchanger element 26 provided, which is a gas-permeable material. In the illustrated embodiment, the heat exchanger element covers 26 the opening 16 Completely. As a result, gas entering the gas space 12 flows through, must flow through the heat exchanger and in this case essentially to the temperature of the heat sink, ie the housing 10 in particular the inner wall 20 is brought. For this purpose, the heat exchanger 26 via a thermally conductive connection 28 connected to the housing. In the illustrated embodiment, the heat exchanger is on an outside 30 of the housing 10 arranged and large area with the outside 30 connected. This provides a good thermal coupling between the heat exchanger 26 and the housing 10 guaranteed.

Claims

Thermal conductivity sensor, with one in a housing ( 10 ) arranged gas space ( 12 ), one in the gas space ( 12 ) arranged heating element ( 16 ), one in the gas space ( 12 ) arranged temperature measuring element ( 22 ) and one in the housing ( 10 ), with the gas space ( 12 ) connected opening ( 14 ), characterized by, the opening ( 14 ) at least partially covering the heat exchanger element ( 26 ).

Thermal conductivity sensor according to claim 1, characterized in that the heat exchanger element ( 26 ) the opening ( 14 completely covered.

Thermal conductivity sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the heat exchanger element ( 26 ) with the housing ( 10 ) is thermally coupled.

Thermal conductivity sensor according to one of claims 1 - 3, characterized in that the heat exchanger element ( 26 ) with at least one inner wall ( 20 ) of the gas space ( 12 ) is thermally coupled.

Thermal conductivity sensor according to one of claims 1 - 4, characterized in that the heat exchanger element ( 26 ) has a gas-permeable material with high thermal conductivity.

Thermal conductivity sensor according to one of claims 1-5, characterized in that the heat exchanger element ( 26 ) has a high surface-to-volume ratio.

Thermal conductivity sensor according to one of claims 1 - 6, characterized in that the heat exchanger element ( 26 ) comprises a metal grid, a sintered metal and / or a metal mesh.

Thermal conductivity sensor according to one of claims 1-7, characterized in that the heating element ( 16 ) at a distance to the inner walls ( 20 ) of the gas space ( 12 ) is arranged.

Thermal conductivity sensor according to one of claims 1 - 8, characterized in that the temperature measuring element ( 22 ) at a distance to the heating element ( 16 ), in particular on an inner wall ( 20 ), the gas space ( 12 ) is arranged.