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Stand
der Technik
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Ein
aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist ein Heißfilmluftmassenmesser
(HFM), welcher beispielsweise in
DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform
beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise
eine dünne
Sensormembran auf einem Sensorchip, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip,
aufgebracht. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens
ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen umgeben
ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich
die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst
werden kann. Somit kann z. B. aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände ein
Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Variationen
dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Aus
DE 101 11 840 C2 ist
ein Sensorchip bekannt, welcher ein Rahmenelement, welches aus Silicium
gefertigt ist, mit einer darauf aufgebrachten Membran aufweist.
Auf der Membran sind verschiedene Metallbahnen angeordnet, welche
als elektrische Heizer und/oder Messwiderstände fungieren, wodurch der
Bereich der Membran einen Sensorbereich bildet. Weiterhin ist auf
der Oberfläche
des Sensorchips zusätzlich
mindestens ein Zusatzheizer angeordnet, welcher elektrisch so erhitzt
werden kann, dass im Bereich des Zusatzheizers im strömenden Medium
Thermogradientenwirbel gebildet werden, welche zu Niederschlägen der
Verschmutzungen in dem Bereich des Zusatzheizers abseits des Bereiches
des Sensorbereiches führen
und diesen mithin nicht kontaminieren.
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Zur
Detektion von Wasserstoff macht man sich zunutze, dass Wasserstoff
eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit
als Luft aufweist. Bei einem Sensoraufbau ähnlich den oben skizzierten
Heißfilmluftmassenmessern
diffundiert ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch eine dünne Membran
oder ein enges Gitter in den Messraum. Das Vorhandensein von Wasserstoff
verändert
dann die Temperatur einer beheizten Messmembran beziehungsweise
die Wärmeleistung,
die an die Umgebungsluft abgegeben wird, was wiederum das Messsignal
ergibt. Üblicherweise
liegt bei diesen Ausführungsvarianten
die Chip- beziehungsweise die Gehäusetemperatur in der Umgebung
der Raumtemperatur, wobei Membranübertemperaturen in der Regel
zwischen 80 K und 120 K eingestellt werden.
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Bei
dieser Messmethode ist von Nachteil, dass die in dem Gasgemisch
vorhandene Feuchtigkeit die Wärmeleitfähigkeit
eines H2-Luft-Gemisches beeinflusst. Bei
Raumtemperatur kann der Einfluss der Luftfeuchte so groß sein,
dass ein Nachweis von Wasserstoff im H2-Luft-Gemisch
nicht mehr eindeutig möglich
ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt angesichts der Nachteile des Standes der Technik
die Aufgabe zugrunde, den Einfluss der Feuchte bei der Messung einer
Komponente eines gasförmigen
Fluides signifikant zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
einen Messraum eines Gehäuses,
in dem ein Sensor zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides
eingelassen ist, zu beheizen. Insbesondere erfolgt eine Beheizung
des Gehäuses
des Sensors und/oder die Beheizung einer das Gehäuse des Sensors abdeckenden
Deckelmembran. Die Beheizung erfolgt derart, dass eine Übertemperatur
erreicht wird, die deutlich über
Raumtemperatur, d. h. 25°C, liegt,
so z. B. eine Übertemperatur
von T = 80°C
bis 200°C.
Die Übertemperatur
einer als Messelement eingesetzten Messmembran wird auf eine Übertemperatur
T, bevorzugt im Bereich zwischen 100°C und 200°C, gesteigert, so dass sich
die relative Feuchte des Fluides innerhalb des Messraums des Sensors verringert
und der auf die Luftfeuchtigkeit des gasförmigen Fluides zurückgehende
Messfehler drastisch reduziert wird.
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Im
Gegensatz zu bisher bekannten Sensorausführungen findet der Wärmeübergang
dann nicht wie bisher auf einem Temperaturniveau zwischen 20°C und 120°C, sondern
auf einem erheblich erhöhten
Temperaturniveau, so z. B. zwischen 80°C und 220°C, statt.
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Die
Beheizung des Messraumes kann in einer Ausführungsform z. B. dadurch realisiert
werden, dass an mindestens einer Seite des den Messraum begrenzenden
Gehäuses
des Sensors ein Heizwiderstand angeordnet ist, der relativ großflächig auf der
mindestens einen Seitenwand des Gehäuses des Sensors verläuft. Daneben
ist es möglich,
neben mindestens einer Seite des den Messraum begrenzenden Gehäuses die
Gehäuseabdeckung,
die z. B. durch einen Deckel oder eine Membran dargestellt ist,
mittels mindestens eines weiteren Heizelementes von der Außenseite
her zu beheizen. Neben der Applikation der Heizelemente auf mindestens
eine Seitenwand des Gehäuses
des Sensors und auf einen den Messraum abdeckenden Deckel beziehungsweise
eine auf den Messraum aufgebrachte Membran kann eine Beheizung des
Messraums auch durch in die Seitenwände des den Messraum begrenzenden Gehäuses des
Sensors zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides
eingesetzt werden.
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Je
nach zur Verfügung
stehendem Bauraum hinsichtlich des Einbauortes des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Sensors können
Heizelemente an den Längsseiten
sowie an den Querseiten – bei
einem Rechteck-konfigurierten Gehäuse – aufgebracht werden. Ist der
Sensor in Form eines flachen Zylinders ausgebildet, so können in
verschiedenen Umfangswinkelpositionen in Bezug auf die Mantelfläche des
flach ausgebildeten Zylinders Heizelemente auf der Mantelfläche appliziert
werden.
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Die
Heizelemente werden bevorzugt als Heizwiderstände ausgeführt, die aus einem mäanderförmig gekrümmten Heizdraht
gefertigt werden, mit welchem ein großflächiger Bereich der Seitenwände des
Gehäuses
des Sensors oder der Mantelfläche
eines flach ausgebildeten Gehäuses
eines Sensors versehen werden können.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
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1 eine
Ausführungsform
eines aus dem Stande der Technik bekannten Sensors zur Detektion einer
Komponente eines gasförmigen
Fluides,
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2 eine
Seitenansicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Sensors zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides,
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3 eine
Ansicht einer Längsseite
des Gehäuses
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Sensors und
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4 eine
Draufsicht auf das Gehäuse
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Sensors mit einem auf der Gehäuseoberseite
applizierten Heizelements.
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Ausführungsbeispiele
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Der
Darstellung gemäß 1 ist
ein Schnitt durch einen Sensor zur Detektion einer Komponente eines
gasförmigen
Fluides gemäß des Standes
der Technik zu entnehmen.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht
hervor, dass ein Sensor 10 zur Detektion einer Komponente
eines gasförmigen
Fluides, so z. B. zur Detektion von Wasserstoff, in einem Wasserstoff-Luft-Feuchte-Gemisch
ein Gehäuse 16 umfasst. Das
Gehäuse 16 begrenzt
einen Messraum 14. Der Sensor 10 umfasst daneben
einen auf einen Gehäusebo den 24 aufgebrachten
Chip 18, der seinerseits eine Messmembran 20 enthält. Der
Chip 18 ist auf dem Gehäuseboden 24 befestigt
und dem durch einen Deckel 12 diffundierenden gasförmigen Fluid 26, so
z. B. einem Wasserstoff-Luft-Feuchte-Gemisch 26, ausgesetzt. Üblicherweise
liegt die Temperatur des Chips 18 und die Temperatur des
Gehäuses 16 des
in 1 dargestellten Sensors 10 im Bereich
der Raumtemperatur von etwa 25°C.
Die in der Darstellung gemäß 1 wiedergegebene
Messmembran 20 ist ebenfalls beheizt und weist eine Übertemperatur
T von 80 K bis 120 K auf, bezogen auf die Temperatur des Chips 18.
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2 ist
das Gehäuse 16 des
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Sensors 10 zu entnehmen, welches an seiner Oberseite durch
eine Deckelmembran 50 verschlossen ist.
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Das
Gehäuse 16 umfasst
Seitenwände 34, die
den Messraum 14 begrenzen. Darüber hinaus ist der Messraum 14 durch
den Gehäuseboden 24 begrenzt,
auf dem der Messchip 18 mitsamt des beheizten Messelementes 20 aufgenommen
ist. Unter Messelement wird nachfolgend eine Messmembran 20 verstanden.
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In
der Darstellung gemäß 2 ist
das Gehäuse 16 des
Sensors 10 rechteckförmig
ausgebildet. Die mit Bezugszeichen 34 bezeichneten Seitenwände können kürzer sein
als eine Längsseite 36, wie
in 2 dargestellt.
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Auf
der hinter der Schnittebene liegenden Längsseite befindet sich an einer
Gehäuseaußenseite 30 ein
erstes Heizelement 32. Dieses wird in vorteilhafter Weise
mäanderförmig ausgebildet,
so dass ein großer
Bereich einer sich über
die Längsseite 36 erstreckenden
Seitenwand des Gehäuses 16 beheizt werden
kann. Das in 2 verdeckt dargestellte erste
Heizelement 32 kann entweder auf die Außenseite 30 des Gehäuses 16 aufgebracht
sein oder in das Gehäuse 16 integriert
werden. Dies lässt
sich in fertigungstechnisch einfacher Weise dadurch erzielen, dass
in einem aus Kunststoffmaterial spritzgegossenen Gehäuse 16 mindestens
ein erstes Heizelement 32 umspritzt wird, über welches
der Messraum 14, in dem die beheizte Messmembran 20 auf
dem Chip 18 eingelassen ist, beheizt wird.
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3 zeigt
eine Seitenansicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors gemäß 2.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht
hervor, dass auf der Längsseite 36 des
Gehäuses 16 das
erste Heizelement 32 appliziert ist. Das erste Heizelement 32 weist
Anschlüsse 40 auf.
In der Darstellung gemäß 3 ist
die Längsseite 36 des
Gehäuses 16 in
eine erste Hälfte 58 und
in eine zweite Hälfte 60 unterteilt.
In der Darstellung gemäß 3 befindet
sich das erste Heizelement 32 innerhalb der ersten Hälfte 58 der
sich über
die Längsseite 36 erstreckenden
Seitenwand des Gehäuses 16.
Das erste Heizelement lässt
sich daneben auch auf den durch Bezugszeichen 38 bezeichneten
Querseiten des Gehäuses 16 von
der Außenseite
her applizieren. Neben der in 3 dargestellten
Ausführungsvariante
des ersten Heizelementes 32 als mäanderförmig verlaufender Heizdraht
kann auch eine flächige
Beheizung innerhalb der ersten Hälfte 58 oder
der zweiten Hälfte 60 beidseits
einer Achse 56 vorgenommen werden, wobei das erste Heizelement 32 auch
als Gitterstruktur oder als Planfläche beschaffen sein kann, die
auf die Außenseite 30 des
Gehäuses 16,
sei es an einer Längsseite 36,
sei es an einer Querseite 38, appliziert werden kann. Wenngleich das
erste Heizelement 32 in der in 3 dargestellten
Ansicht auf der Längsseite 36 des
Gehäuses 16 aufgebracht
ist, so kann ein weiteres Heizelement auf der in 3 nicht
dargestellten rückwärtigen Längsseite 36 des
Gehäuses 16 appliziert
werden. Daneben ist es auch möglich,
an den einander gegenüberliegenden
Querseiten 38 des Gehäuses 16 jeweils ein
Heizelement von der Außenseite
her zu applizieren. Während
bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren die Chiptemperatur
bei etwa 20°C und
die Temperatur der Messmembran 20 bei etwa 120°C liegt,
wird der Chip 18 bei der vorgeschlagenen Lösung auf
einem wesentlich höheren
Temperaturniveau von etwa 120°C
betrieben; ebenso nimmt die Messmembran 20 Temperaturen
von 180°C
bis 230°C,
so zum Beispiel eine Temperatur von 220°C an.
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Der
Darstellung gemäß 4 ist
eine Draufsicht auf den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensor zu
entnehmen.
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Wie
aus der Schnittdarstellung gemäß 2 entnehmbar,
ist die Oberseite des Gehäuses 16 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Sensors 10 durch eine Abdeckung verschlossen. Die Abdeckung kann
zur Ermöglichung
einer Diffusion des mehrere Komponenten enthaltenden, gasförmigen Fluides 26 als
Deckelmembran 50 ausgeführt
sein, welche den in 4 nicht dargestellten, jedoch 2 entnehmbaren
Messraum 14 abschließt.
Auf die Deckelmembran 50 ist innerhalb eines zentralen
Bereiches 44 ein zweites Heizelement 42 aufgebracht,
welches eine Mäanderform 52 aufweist.
Die Anschlüsse
des weiteren, zweiten Heizelementes 42 sind durch Bezugszeichen 46 bezeichnet.
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Das
in 4 dargestellte, auf die Deckelmembran 50 aufgebrachte
zweite Heizelement 42 weist einen Heizdraht 54 auf.
Durch die Mäanderform 52 des
zweiten Heizelementes 42 kann eine großflächige Beheizung des Zentralbereiches 44 der
Deckelmembran 50 erzielt werden. Das in 4 in
der Draufsicht dargestellte, durch die Deckelmembran 50 verschlossene
Gehäuse 16 des
Sensors 10 weist zwei einander gegenüberliegende Querseiten 38 und zwei
einander gegenüberliegende
Längsseiten 36 auf.
Alternativ ist es auch möglich,
das Gehäuse 16 des
Sensors 10 in einem kreisförmigen Querschnitt auszubilden,
der durch eine dann entsprechend kreisförmig konfigurierte Deckelmembran 50 verschlossen
ist. Gemäß dieser
Ausführungsvariante befinden
sich ein oder mehrere erste Heizelemente 32 (vgl. Darstellung
gemäß 3)
entsprechend beabstandet an der Außenseite der Mantelfläche eines als
flacher Zylinder ausgebildeten Gehäuses 16.
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Durch
die in den 2 bis 4 dargestellten
Heizelemente 32, 44 kann sowohl das Gehäuse 16,
dessen Seitenwände 34,
sei es die Längsseite 36,
sei es die Querseite 38, von der Außenseite her beheizt werden
als auch eine Deckelmembran 50 beheizt werden. Die Beheizung
des Gehäuses 16 und damit
des Messraumes 14 erfolgt auf eine Übertemperatur, die deutlich über der
Raumtemperatur von 25°C
liegt, so z. B. auf eine Übertemperatur
T zwischen 80°C
bis 200°C.
Dementsprechend wird die auf dem Messchip 18 aufgenommeine
Messmembran 20 auf eine Übertemperatur zwischen 100 °C und 200°C beheizt,
so dass sich die relative Feuchte des gasförmigen Fluides 26 innerhalb
des Messraumes 14 erheblich reduziert und der auf die Luftfeuchtigkeit zurückgehende
Fehler drastisch abnimmt. Der Wärmeübergang
findet der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend nunmehr nicht mehr auf einem Temperaturniveau zwischen 20°C und 120°C, sondern
auf einem erheblich darüberliegenden
Temperaturniveau zwischen 120°C
und 220°C
statt.
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Durch
das höhere
Temperaturniveau innerhalb des Messraumes 14 ist sichergestellt,
dass der Einfluss der Luftfeuchte, den das mehrere Komponenten enthaltende
gasförmige
Fluid 26 aufweist, die Detektion beziehungsweise den Nachweis
von H2 im gasförmigen Fluid 26 nicht
beeinträchtigt
und ein sicherer Nachweis dieser Komponente möglich ist.