DE102008009206A1

DE102008009206A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102008009206A1
Application number: DE200810009206
Authority: DE
Inventors: Jens Schwarz; Bernd Lindner
Original assignee: SENSATRONIC GmbH
Current assignee: SENSATRONIC GmbH
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-09-24

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Festelektrolyse-Gassensor, der den Partialdruck einer in einem Gasgemisch enthaltenen Komponente bestimmen kann, so anzuordnen, dass dieser durch seinen miniaturisierten Aufbau für einen batteriebetriebenen Einsatz geeignet ist und durch seine schnelle Ansprechzeit für atemzugsaufgelöste Messungen verwendet werden kann. Erreicht wird dies durch die Reduzierung des Volumens des Sensorelementes sowie des Messraumes, in dem sich das Sensorelement befindet einerseits und durch die Verwendung wärmeisolierender und wärmestrahlungsreflektierender Materialien andererseits.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung einer Komponente in gasförmigen Medien mit reduzierter Leistungsaufnahme, die in einem Gasraum angeordnet ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sensoren mit in einem Gehäuse angeordnetem Sensorelement sind bekannt. Die DE 43 24 659 C1 beschreibt einen Sensor, dessen Gehäuse eine wirbelfreie Umströmung des Sensorelementes gewährleistet. Hierbei ähnelt das Sensorgehäuse im Aufbau einer Pfeife mit einem s-förmig gekrümmten Strömungskanal, der eine Eintrittsöffnung mit einer Austrittsöffnung verbindet. Das planare Sensorelement ist hierbei in einem weitgehend laminar durchströmten Abschnitt des Kanals hinter der Eintrittsöffnung angeordnet. Dadurch, dass durch den Gasstrom von dem beheizten Sensorelement ständig Energie entzogen wird, ist zur Aufrechterhaltung der notwendigen Heizleistung ein höherer bis hoher Energieeinsatz erforderlich.
Weiterhin beschreibt die WO 2006/005332 A3 einen Gassensor mit Heizelement zur Eigenschaftsbestimmung eines Gases mit einer Temperatur größer als 290° Celsius auf einem Trägersubstrat in einer Messkammer.
Durch den Aufbau des Gassensors und dessen Anordnung im durchströmenden Medium erfolgen auch hier ein hoher Energieverlust und damit eine höhere Leistungsaufnahme zur Kompensation der hohen Verlustenergie durch erzwungene Konvektion.
Die DE 199 57 991 C2 beschreibt einen Gassensor, dessen Aufgabe es ist, die Heizbahnen so anzuordnen, dass einerseits an jeder Stelle der Funktionsfläche des Sensors die gleiche Temperatur herrscht und andererseits eine exakte Temperaturbestimmung und damit verbunden eine genaue Temperaturmessung an der Funktionsfläche ermöglicht wird. Erreicht wird diese Aufgabe durch Heizleiterbahnen, die mäanderförmig zwischen dem Zuleitungsteil und der Sensorspitze verlaufen und unterschiedliche partielle Heizwiderstände aufweisen und deren Höhe vom Abstand der partiellen Heizleiterbahnen zur Sensorspitze abhängig sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Festelektrolyse-Gassensor, der den Partialdruck einer in einem Gasgemisch enthaltenen Komponente bestimmen kann, so anzuordnen, dass dieser durch seinen miniaturisierten Aufbau für einen batteriebetriebenen Einsatz geeignet ist und durch seine schnelle Ansprechzeit für atemzugsaufgelöste Messungen verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei wird ein Sensorelement auf kleinstem Raum untergebracht, der sich in einem wärmeisolierenden Umfeld befindet, um die zum Betrieb notwendige Arbeitstemperatur mit minimalem Energieaufwand zu erreichen und den Energieverlust durch erzwungene Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung weitestgehend zu vermeiden.
Erreicht wird dies durch die Reduzierung des Volumens des Sensorelementes sowie des Messraumes, in dem sich das Sensorelement befindet einerseits und durch die Verwendung wärmeisolierender und wärmestrahlungsreflektierender Materialien andererseits.
Die Erfindung wird beispielhaft an sechs Figuren näher erläutert und dargestellt.
1 zeigt die Gesamtansicht der Messvorrichtung
2 zeigt die Messvorrichtung mit dem Sensorelement und mit darunter angeordnetem thermisch isolierendem Material
3 zeigt die Messvorrichtung mit dem Sensorelement und ohne darunter angeordnetem thermisch isolierendem Material
4 zeigt das einteilige Sensorelement, in dem die Funktion des Trägerelementes integrierter Bestandteil der Funktionselemente ist
5 zeigt die Gesamtansicht eines zweiteiligen Sensorelementes
6 zeigt ein zweiteiliges Sensorelement, bestehend aus Trägerelement und Funktionselementen
1 zeigt einen Gasraum (1), in dem eine Messvorrichtung (2) angeordnet ist. Das in der Messvorrichtung (2) angeordnete Sensorelement (3) steht durch das Diffusionselement (5) mit dem Messgas (6) in Verbindung. Der Teil des Messgases (6), der durch das Diffusionselement (5) in den Messraum (4) gelangt, wird als diffundiertes Messgas (6.1) bezeichnet. Das Sensorelement (3) ist derart in der Messvorrichtung (2) angeordnet, dass sich unter dem Sensorelement (3) ein gasgefüllter Raum (6.2) befindet, der weder eine Verbindung zum diffundierten Messgas (6.1) noch zum Messgas (6) besitzt. Das Diffusionselement (5) sorgt dafür, dass das Sensorelement (3) nicht durch erzwungene Konvektion, sondern nur durch Diffusion mit dem Messgas (6) außerhalb der Messvorrichtung (2) in Verbindung steht. Erzwungene Konvektion wird z. B. durch Pumpen, Gebläse oder ähnliche mechanisch wirkende Vorrichtungen hervorgerufen.
2 zeigt die Messvorrichtung (2), in dem das Sensorelement (3) im Messraum (4) angeordnet ist und an einem thermisch isolierenden Material (6.3) fixiert ist. Hierbei sind die Oberflächen (6.4) der Messvorrichtung (2) wärmereflektierend, vorzugsweise wärmestrahlungsreflektierend, ausgebildet.
3 zeigt die Messvorrichtung (2) mit einem Sensorelement (3), welches in der Messvorrichtung (2) auf der Innengrundfläche (6.5) innerhalb des Messraumes (4) angeordnet ist. Durch diese Anordnung werden eine wesentliche Verkleinerung der Messvorrichtung (2) und gleichzeitig eine Reduzierung der zum Heizen notwendigen Energiemenge erreicht.
4 zeigt das Sensorelement (3), bei dem die Funktion des Trägerelementes (3.1), also das Tragen der Funktionselemente (3.2), von den Funktionselementen (3.2) übernommen wird, also in diesen integriert ist. Durch diese Funktionsintegration wird aus einem zwei- oder mehrteiligen Sensorelement ein einteiliges Sensorelement (3).
5 zeigt die Gesamtansicht eines zweiteiligen Sensorelementes (3), bei dem die Oberflächen (3.4) zumindest teilweise wärmereflektierend, vorzugsweise wärmestrahlungsreflektierend, ausgebildet sind.
6 zeigt die Teilansichten eines zweiteiligen Sensorelementes (3) mit seinen Funktionselementen (3.2) und dem Trägerelement (3.1). Hierbei ist zumindest eine der Verbindungsoberflächen (3.3) der Funktionselemente (3.2) und des Trägerelementes (3.1) wärmereflektierend, vorzugsweise wärmestrahlungsreflektierend, ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4324659 C1 [0002]
- WO 2006/005332 [0003]
- DE 19957991 C2 [0005]

Claims

Messvorrichtung mit reduzierter Leistungsaufnahme zur Bestimmung einer Komponente in gasförmigen Medien, angeordnet in einem Gasraum (1), dadurch gekennzeichnet, dass in Messvorrichtung (2) Sensorelement (3), frei von erzwungener Konvektion, im Messraum (4) angeordnet ist und über zumindest ein Diffusionselement (5) in Kontakt zum Messgas (6) steht.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) im Messraum (4) derart angeordnet ist, das das Sensorelement (3) mit seinem Trägerelement (3.1) auf der Innengrundfläche (6.5) der Messvorrichtung (2) angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) im Messraum (4) derart angeordnet ist, das sich unter dem Sensorelement (3) ein nicht gasgefüllter Raum (6.2) befindet.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) im Messraum (4) derart angeordnet ist, das sich unter dem Sensorelement (3) ein gasgefüllter Raum (6.2) befindet, der nicht mit dem diffundierten Messgas (6.1) in Verbindung steht.
Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) an einem thermisch isolierenden Material (6.3) fixiert ist.
Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des einfunktionalen Trägerelementes (3.1) integrierter Bestandteil der Funktionselemente (3.2) eines einteiligen Sensorelementes (3) ist.
Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (6.4) der Messvorrichtung (2), in dem das Sensorelement (3) angeordnet ist, wärmereflektierend, vorzugsweise wärmestrahlungsreflektierend, ausgebildet sind.
Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) mit einer wärmereflektierenden, vorzugsweise wärmestrahlungsreflektierenden, und teilweise oder vollständig umschließenden Oberfläche (3.4) versehen ist.
Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 und 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das zumindest eine der Verbindungsoberflächen (3.3) des Trägerelementes (3.1) und der Funktionselemente (3.2) des Sensorelementes (3) wärmereflektierend, vorzugsweise wärmestrahlungsreflektierend, ausgebildet ist.