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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor mit geschlossener Kavität. Ein solcher Wärmeleitfähigkeitsdetektor wird beispielsweise in Laborgeräten wie Klimaschränken, konkret Inkubatoren oder Trockenschränken, oder in Gaschromatographen insbesondere zur Bestimmung von Größen wie Luftfeuchtigkeit, Gasgehalt oder Gasdruck verwendet. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Wärmeleitfähigkeitsdetektors.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
US 2002 / 0 149 486 A1 oder der
US 5 551 283 A , sind verschiedene Realisierungsformen von Wärmeleitfähigkeitsdetektoren bekannt. Eine verbreitete Form von Wärmeleitfähigkeitsdetektoren ist ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor mit Wheatstone-Brücke. Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor umfasst dabei einen Edelstahlblock, in dem zwei separate Kavitäten ausgebildet sind, wobei sich in einer ein Messgas und in der anderen ein Referenzgas befindet. In den Kavitäten ist jeweils ein Heißleiter oder Thermistor angeordnet, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Der die Kavitäten umschließende Edelstahlblock dient der Wärmekopplung zwischen beiden Kavitäten und wird normalerweise auf einem konstanten Temperaturniveau unterhalb der Temperatur der Heißleiter gehalten. Die Wärmeabgabe bzw. Temperatur am jeweiligen Heißleiter/Thermistor innerhalb einer Kavität ist von der Wärmeleitfähigkeit λ des jeweils in der Kavität befindlichen Gases abhängig. Sind die Heißleiter der beiden Kavitäten nach Art einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet, so wird diese abgeglichen, solange die Zusammensetzung des Gases in Referenz- und Messkavität gleich ist bzw. gegenüber der Ausgangssituation unverändert bleibt. Ändert sich danach die Leitfähigkeit des Messgases, weil sich beispielsweise die stoffliche Zusammensetzung des Gases in der Messkavität verändert, führt dies zu einer Temperaturänderung des Heißleiters in der Messkavität und zwischen den beiden Zweigen der Brücke kann eine Spannung (Brückenspannung) abgegriffen werden. Auf diese Weise lassen sich Größen wie Gasgehalt, Gasdruck, Luftfeuchtigkeit etc. mithilfe des Wärmeleitfähigkeitsdetektors bestimmen. Verwendung findet ein solcher Wärmeleitfähigkeitsdetektor deshalb häufig in Laborumgebungen, beispielsweise in Zusammenhang mit Klimaschränken wie Inkubatoren oder Gaschromatographen.
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Für die Messgenauigkeit des Wärmeleitfähigkeitsdetektors ist es wichtig, dass die Zusammensetzung des Gases in der Referenzkavität stets konstant bleibt. Dies kann zum Einen dadurch realisiert werden, dass die Referenzkavität kontinuierlich mit Referenzgas gespült wird. Dieses Vorgehen ist aber vergleichsweise aufwändig und teuer. Einfacher und günstiger ist es, die Referenzkavität nach Einfüllen des Referenzgases hermetisch zu verschließen, sodass kein Austausch des Gases mehr erfolgen kann und seine Zusammensetzung konstant bleibt. In der Praxis gestaltet sich dies allerdings schwierig, da einerseits ein dauerhafter gasdichter Abschluss der Kavität nur schwer realisierbar ist, vor allem dann, wenn der Wärmeleitfähigkeitsdetektor in einem Bereich hoher Temperatur eingesetzt wird. Andererseits können beim Verschließen der Kavität oder auch später während des Betriebs Fremdstoffe freigesetzt werden und so die Gaszusammensetzung in der Kavität in nicht erwünschter Weise ändern. Es wird daher häufig ein Drift beobachtet, durch den sich die Messergebnisse des Wärmeleitfähigkeitsdetektors im Laufe der Zeit verfälschen.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor mit geschlossener Referenzkavität anzugeben, der einfach herstellbar ist, dabei aber über einen langen Zeitraum selbst bei hohen Umgebungstemperaturen von bis zu 180 °C oder sogar darüber zuverlässig und bei möglichst geringem Drift arbeitet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Wärmeleitfähigkeitsdetektor gemäß Anspruch 1. Von diesem abhängige Patentansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeleitfähigkeitsdetektors, wie es in Anspruch 14 beschrieben wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor. Dieser weist einen Sensorblock mit zwei Kavitäten zur Aufnahme von Gasen auf, wobei sich in jeder Kavität ein Thermistor befindet. Die eine Kavität ist offen und die andere Kavität geschlossen ausgebildet. Weiter sind Dichtelemente zum Verschließen der Kavitäten vorhanden, die Stromdurchführungsmittel aufweisen, die mit dem in der jeweiligen Kavität angeordneten Thermistor elektrisch leitend verbunden sind. Erfindungsgemäß handelt es sich zumindest bei dem Dichtelement für die geschlossene Kavität um eine Glas-Metall-Durchführung, die mit dem Sensorblock gasdicht verschweißt ist. Glas-Metall-Durchführungen an sich sind aus dem Gebiet der Sensortechnik, beispielsweise aus der
DE 10 2011 101 503 A1 , der
EP 2 163 887 A1 und der
DE 19 65 462 A , bekannt. In der
DE 10 2011 101 503 A1 wird ein rohrförmiges Sensorgehäusebauteil mit einer Glas-Metall-Durchführung beschrieben, in dessen Inneren ein Sensor sitzt. Die Glas-Metall-Durchführung dient hierbei als leitende Öffnung für den Sensor. In ähnlicher Weise dienen in der
EP 2 163 887 A1 Glas-Metall-Durchführungen als Verbindungselemente zwischen zwei Basissensorplatten. Genauso wird in der
DE 19 65 462 A eine Glas-Metall-Durchführung als Öffnung für eine Leitung in einer Sensoreinrichtung beschrieben. Eine Abdichtung des Gehäuses bzw. der Sensoren mittels Verschweißung der Glas-Metall-Durchführungen ist jedoch weder in der
DE 10 2011 101 503 A1 noch in der
EP 2 163 887 A1 oder der
DE 19 65 462 A vorgesehen.
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Von herkömmlichen Wärmeleitfähigkeitsdetektoren unterschiedet sich der erfindungsgemäße also dadurch, dass als Dicht- bzw. Verschlusselement zumindest für die geschlossene Kavität eine Glas-Metall-Durchführung verwendet wird. Die geschlossenen Kavität dient, wie einleitend beschrieben, zur Aufnahme eines Referenzgases, das in der Kavität hermetisch eingeschlossen werden soll, damit seine Zusammensetzung unverändert bleibt. Außerdem soll sich die Zusammensetzung des Referenzgases nicht durch in die Kavität gelangte Fremdstoffe ändern. Alle diese Ziele werden im erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitsdetektor in idealer Weise erreicht. Dies liegt einerseits an der Verwendung der Glas-Metall-Durchführung an sich, die aus Materialien besteht, die nicht die Gefahr der Verunreinigung des Referenzgases in sich bergen, da zum Beispiel selbst bei hohen Temperaturen praktisch keine Ausgasung stattfindet. Zum Anderen führt die Art der Befestigung und Abdichtung der Glas-Metall-Durchführung im Sensorblock zu einer sehr stabilen und gasdichten Anordnung. Zudem werden während des Schweißvorgangs kaum Verunreinigungen erzeugt, die das Referenzgas in seiner Zusammensetzung nachteilig verändern könnten. Eventuell doch beim Verschweißen in die Kavität gelangte gasförmige Verunreinigungen stören nicht, da sie von sehr geringer Menge sind, bei der anfänglichen Kalibrierung des Wärmeleitfähigkeitsdetektors berücksichtigt werden und somit im späteren Messverfahren keine störende Rolle mehr spielen. Verglichen mit anderen Herstellungsmethoden beim Verschluss der Kavität sind die entstanden Verunreinigungen beim Schweißen minimal.
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Anstelle des Verschweißens des Dichtelementes mit dem Sensorblock beim Abdichten der Kavität könnte eine Verklebung, eine Kombination von Verkleben und Pressen, nur ein Verpressen, eine Verschraubung oder Verlötung eingesetzt werden. Die einzelnen Verbindungsarten haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, die die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung im Detail untersucht haben.
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Handelt es sich bei der Verbindung um eine Klebverbindung, so hat es sich als nachteilig erwiesen, dass der verwendete Klebstoff im Laufe der Zeit ausgast und die Gaszusammensetzung in der geschlossenen Kavität verändert. Eine unerwünschte Drift tritt auf. Des Weiteren haben Klebstoffe, die für hohe Temperaturen von zum Beispiel 180 °C oder mehr geeignet sind, lange Trocknungszeiten und müssen zum Aushärten eventuell erwärmt werden. Beim Erwärmen jedoch dehnt sich das in der Kavität vorhandene Gas aus und verursacht häufig eine Undichtigkeit der Klebung.
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Im Falle von Verkleben und Pressen wird eine kleine Druckausgleichsöffnung geschaffen, die nach dem Verkleben und dem anschließenden Einleiten des Referenzgases verpresst wird. Allerdings tritt auch hier das Problem des Ausgasens des Klebstoffs auf, was die Gaszusammensetzung innerhalb der Kavität verändert und somit zu Drift und mangelnder Messgenauigkeit führt. Außerdem ist grundsätzlich die Notwendigkeit eines weiteren Verfahrensschrittes im Rahmen der Herstellung eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors durch das zusätzlich erforderliche Verpressen nachteilig.
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Bei der Verwendung von Schrauben hat sich herausgestellt, dass das Schraubengewinde allein als Dichtung nicht ausreicht. Deshalb werden zusätzliche Dichtungen benötigt. Diese dürfen über lange Zeiträume und im spezifizierten Temperatureinsatzbereich bis 180 °C oder darüber nicht ausgasen und nicht verspröden. Wird eine Glasdurchführung der Elektroden mit einer Verschraubung kombiniert, ist eine definierte Anschraubkraft notwendig, damit die Glasdurchführung nicht bricht. Im Rahmen von Versuchen wurden entsprechende Spezialschrauben mit Glasdurchführung für Sensoranschlüsse in mehreren Versionen hergestellt und getestet. Dabei hat es sich herausgestellt, dass es sehr schwierig ist, dabei eine hinreichende Prozesssicherheit zu erzielen. Selbstverständlich dürfen die Schrauben sich auch nicht lockern.
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Im Falle des Lötens können Flussmittelreste in die Kavität gelangen und die Gaszusammensetzung verändern. Dies führt zu einer unerwünschten Signaldrift.
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Das Verpressen als Dichtverfahren schließlich hat sich als ein schwierig zu optimierender Prozess herausgestellt, bei dem sichergestellt werden muss, dass die Glasabdichtung der Sensoranschlüsse keine Risse bekommt. Notwendig hierfür sind verhältnismäßig aufwändig herzustellende Flansche. Des Weiteren muss die Presskraft groß genug sein, um dem Druckanstieg im hohen Temperaturbereich standzuhalten.
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Von den untersuchten Verbindungs- und Abdichtmethoden hat sich daher einzig das Verschweißen einer Glas-Metall-Durchführung mit dem Sensorblock als brauchbares Verfahren herausgestellt, um eine Kavität durch ein mit Stromdurchführungsmitteln versehenes Dichtelement schnell und sicher zu verschließen und einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor mit sehr geringer Drift auch bei hohen Temperaturen herzustellen.
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Erfindungsgemäß handelt es sich zumindest bei dem Dichtelement für die geschlossene (Referenz-) Kavität um eine Glas-Metall-Durchführung. Derartige Glas-Metall-Durchführungen sind im Stand der Technik bekannt, und es können im Rahmen der Erfindung auch grundsätzlich die üblichen Durchführungen verwendet werden. Eine Glas-Metall-Durchführung besteht typischerweise aus einem Metall-Außenteil, einem Glasformteil und einem oder mehreren davon umschlossenen Innenleitern (Stromdurchführungsmitteln). Diese Bauteile werden mit einem speziellen thermischen Prozess zum Beispiel bei ca. 1000 °C unter Schutzgasatmosphäre hermetisch dicht verschmolzen. Im Falle einer so genannten abgestimmten Glasdurchführung wird die hermetisch dichte Verbindung zwischen dem Glas und den Metallen mittels Oxidschichten erzielt. Dabei haben die verwendeten Bauteile annähernd die gleiche thermische Ausdehnung. Im Falle einer Druckglasdurchführung hat das äußere Metallteil, typischerweise Stahl oder Edelstahl, eine wesentlich höhere thermische Ausdehnung als das verwendete Glas und der Innenleiter. Die hermetisch dichte Verbindung wird durch Kompression erreicht. Die beschriebenen Glas-Metall-Durchführungen sind heutzutage Standardkomponenten, und ihr Einsatz zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitsdetektors vereinfacht und vergünstigt diese Herstellung. Für die Erfindung finden bevorzugt abgestimmte Glasdurchführungen Verwendung, da diese auch bei sich verändernden bzw. hohen Umgebungstemperaturen wegen der ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien sehr gute Dichteigenschaften aufweisen.
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Bevorzugt wird das Dichtelement in Form der Glas-Metall-Durchführung nicht nur zur Abdichtung der geschlossenen, sondern auch der offenen Kavität eingesetzt und dort ebenfalls durch Verschweißen abgedichtet. Die offene Kavität ist in an sich bekannter Weise so ausgebildet, dass sie von einem Messgas durchströmt werden kann. Sie wird daher vom Dichtelement nur an einer Seite verschlossen, während zweckmäßig die andere Seite geöffnet bleibt und als Gasein- und -auslass dient.
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Wie bereits erwähnt, unterscheidet sich der erfindungsgemäße Wärmeleitfähigkeitsdetektor - abgesehen von dem verwendeten mindestens einen Dichtelement in Form einer Glas-Metall-Durchführung und dessen Befestigung im Sensorblock - nicht von herkömmlichen Wärmeleitfähigkeitsdetektoren. So handelt es sich bei dem Sensorblock bevorzugt um einen Metallblock, insbesondere einen Edelstahlblock. Der Sensorblock sorgt für eine thermische Kopplung der beiden Kavitäten und bildet eine Wärmesenke. Die Kavitäten sind bevorzugt als Bohrungen ausgebildet, wobei die geschlossene Kavität zweckmäßig als Sackloch-Bohrung und die offenen Kavität als Durchgangsbohrung im Sensorblock ausgebildet ist. Bevorzugt verlaufen beide Bohrungen parallel zueinander, zweckmäßig symmetrisch im Sensorblock angeordnet. Offene und geschlossene Kavität weisen aus Gründen der einfachen Herstellung bevorzugt identische, insbesondere kreisförmige, Querschnitte auf. Es können jedoch auch beliebige andere, insbesondere längliche Querschnitte verwendet werden. Im Sensorblock können genau zwei Kavitäten ausgebildet sein, es können aber auch mehr als zwei Kavitäten, beispielsweise vier Kavitäten, sein. Im Falle von vier Kavitäten kann es sich z.B. um zwei offene und zwei geschlossene Kavitäten handeln. Der Sensorblock selbst kann ein- oder mehrstückig ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensorblock im Wesentlichen zylindrisch, eine solche Form lässt sich auf besonders einfache Weise fertigen.
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In jeder Kavität befindet sich ein Thermistor. Erfindungsgemäß wird unter einem Thermistor ein variabler elektrischer Widerstand verstanden, dessen Wert durch Temperaturänderung reproduzierbar variiert. Der Thermistor wird in an sich bekannter Weise, beispielsweise mittels Drähten, mit den Stromdurchführungsmitteln im Dichtelement elektrisch leitend verbunden, die eine Strom- bzw. Spannungsversorgung des Thermistors von außen ermöglichen. Zur Verbindung kann zweckmäßig ebenfalls ein Schweißvorgang, insbesondere Laserschweißvorgang, eingesetzt werden. Bei paarweiser Anordnung der Thermistoren werden diese über die Stromdurchführungsmittel zweckmäßig, und wie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zusammengeschaltet.
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Zum Abdichten des Dichtelements zumindest in der geschlossenen Kavität wird erfindungsgemäß ein Schweißvorgang eingesetzt. Dabei kann grundsätzlich jedes geeignete Schweißverfahren, beispielsweise ein Widerstandsschweißen oder Kaltschweißen, verwendet werden. Bevorzugt wird jedoch ein Laserschweißverfahren unter Ausbildung einer Laserschweißverbindung verwendet. Der Vorteil einer solchen Schweißverbindung liegt in dem schnellen und sicheren Prozess, der zu dauerhaft dichten Verbindungen führt, und der kurzen Produktionszeit, die verglichen mit den langen Aushärtungszeiten beim Kleben erheblich verkürzt ist. Das Schweißen dauert maximal 5 Minuten, was verglichen mit der Aushärtezeit beim Kleben (ca. 12 bis 24 Stunden) eine enorme Reduzierung der Montagezeit bedeutet. Außerdem ist nur ein einziger Arbeitsschritt notwendig, was sich gegenüber den zweischrittigen Verfahren mit nachfolgenden Verpressungsschritt als vorteilhaft erweist. Grundsätzlich ist es aber auch im Rahmen der Erfindung möglich, an den Schweißschritt einen Verpressungsschritt anzuschließen. Es könnte also auch zunächst ein Dichtelement in der Kavität verschweißt werden, das eine Ausgleichsöffnung besitzt. Durch diese könnte nach dem Verschweißen Referenzgas in die Kavität eingefüllt werden, worauf die Ausgleichsöffnung dann verpresst wird. Dadurch könnten Verunreinigungen, die beim Verschweißen in die Kavität gelangt sind, zunächst mit dem Referenzgas ausgespült und so aus der Kavität entfernt werden, bevor die Kavität endgültig verschlossen wird. Nachteilig daran wären allerdings der zusätzliche Verfahrensschritt und die etwas geringere Dichtigkeit der Kavität. Zudem ist der weitere Verfahrensschritt im Allgemeinen gar nicht notwendig, da beim Verschweißen ohnehin nur sehr geringe Mengen an Verunreinigungen in die Kavität gelangen. Diese Verunreinigungen sind aber unerheblich, da durch diese bedingte Abweichungen bei der Kalibrierung des Wärmeleitfähigkeitsdetektors berücksichtigt und ausgeglichen werden können.
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Von besonderer Wichtigkeit ist im erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitsdetektor die Dichtigkeit der geschlossenen Kavität. Bei der offenen Kavität besteht die Gefahr, dass diese bei hohen Temperaturen und dem dadurch resultierenden erhöhten Druck undicht wird und sich die Zusammensetzung des eingefüllten Gases verändert, prinzipiell nicht. Dennoch ist es erfindungsgemäß bevorzugt, auch für die offene Kavität ein Dichtelement zu verwenden, das demjenigen für die geschlossene Kavität entspricht - also eine Glas-Metall-Durchführung -, und dieses ebenfalls durch Verschweißen zu befestigen. Dies hat allerdings hauptsächlich praktische Gründe, da dann gleiche Teile in gleicher Weise verarbeitet werden können, was die Handhabung und Verfahrensabläufe vereinfacht. Außerdem vereinfacht die Verwendung gleicher Elemente in Referenz- und Messzelle den Abgleich der Messwerte und erhöht die Genauigkeit der Messung. Ein weitere Vorteil besteht darin, dass die Gase (Referenzgas bzw. Messgas) in den Kavitäten ausschließlich mit Glas oder metallischen Materialien in Kontakt kommen und selbst bei hohen Temperaturen keine Gefahr besteht, dass die Gase durch Ausdunstungen oder Zersetzungsprodukte verunreinigt und die Messergebnisse so verfälscht werden.
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Bevorzugt ist das wenigstens eine Dichtelement so ausgebildet, dass es formschlüssig in die zugehörige Kavität eingesetzt werden kann. Dies bedeutet, dass das Dichtelement zweckmäßig mit seinem Außenumfang zumindest in einem Teilabschnitt seiner Gesamthöhe möglichst eng an der Wandung der Kavität anliegt und zwischen Dichtelement und Sensorblock nur noch ein sehr kleiner Spalt verbleibt. Dieser Spalt wird durch Verschweißen so geschlossen, dass kein Gas mehr durch ihn hindurchtreten kann. Dabei ist es zum Beispiel möglich, das Dichtelement vollständig in der Kavität zu versenken und die Schweißnaht entweder in einem oberen Randbereich der Kavität auszubilden, wenn die Oberfläche des Dichtelements unterhalb der Oberfläche des Sensorblocks in der Kavität liegt, oder auf der Oberfläche des Sensorblocks, wenn das Dichtelement flächenbündig mit dem Sensorblock abschließt. Das Dichtelement kann aber auch teilweise über die Oberfläche des Sensorblocks vorstehen. In diesem Fall ist es bevorzugt, am oberen Ende des Dichtelements einen Flansch vorzusehen, der seitlich über den Umfang des restlichen Dichtelements vorsteht und, wenn das Dichtelement in die Kavität eingesetzt ist, auf der Oberfläche des Sensorblocks aufliegt. Die Schweißnaht wird dann sinnvollerweise am Außenrand des Flansches erzeugt.
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Die üblicherweise verwendeten Sensorblöcke und die Materialien, die als Äußeres von Glas-Metall-Durchführungen verwendet werden, bestehen in der Regel aus Edelstahl, sodass sie ein Verschweißen im Allgemeinen ohne besondere Modifikationen oder besondere Auswahl ermöglichen. In bestimmten Fällen jedoch, insbesondere wenn zum Verschweißen von Sensorblock und Glas-Metall-Durchführung ein Laserschweiß-Verfahren verwendet wird, müssen die Eigenschaften der miteinander zu verschweißenden Materialien entsprechend ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden. So ist es im Rahmen der Erfindung bevorzugt, einen Sensorblock zu verwenden, der zumindest im Bereich der Schweißverbindung und bevorzugt insgesamt aus Edelstahl besteht. Unter diesen Edelstählen sind Chrom-Nickel-Stähle und vor allem solche des Typs 1.4301 (X5CrNi18-10, ASTM 304) besonders bevorzugt. Bei dem Dichtelement, konkret der Glas-Metall-Durchführung, wird zumindest im Bereich der Schweißverbindung ebenfalls Edelstahl verwendet, bevorzugt ein Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl und insbesondere ein solcher vom Typ 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2, ASTM 316L). Das für Glas-Metall-Durchführungen sehr häufig verwendete Metall „Kovar“ (eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung) lässt sich mittels Laser sehr schlecht mit Edelstahl verschweißen, weshalb bei Laserschweißverbindungen auf diese gängige Variante von Glas-Metall-Durchführungen verzichtet werden sollte.
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Im Rahmen der Erfindung können prinzipiell NTC-Thermistoren und PTC-Thermistoren verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Thermistor um einen PTC-Thermistor, der bei tiefen Temperaturen eine höhere Leitfähigkeit als bei hohen Temperaturen aufweist. Grundsätzlich zählen alle Metalle zu den PTC-Thermistoren. Als elektronische Bauteile sind PTC-Thermistoren häufig auch aus halbleitenden, polykristallinen Keramiken gefertigt (z.B. Bariumtitanat), die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Sperrschicht an den Korngrenzen aufbauen. Es existieren auch PTC-Thermistoren auf Siliciumbasis.
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Zu den NTC-Thermistoren hingegen zählen reine Halbleitermaterialien, Verbindungshalbleiter und verschiedene andere Legierungen. Bei einem NTC-Thermistor ist die Kennlinie der verwendeten Materialien aufgrund des zugrunde liegenden Halbleiter-Effektes in hohem Maß von Fehlstellen, u.a. der Dotierung der Grundstoffe abhängig. Die Verarbeitung (Mischen, Mahlen, Pressen, Sintern) hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften und die Langzeitstabilität von NTC-Thermistoren. Daher waren NTC-Thermistoren lange Zeit nur mit von Charge zu Charge sehr unterschiedlichen Kennlinien herstellbar und waren für präzise Temperaturmessungen wenig geeignet. Bei jedem Austausch musste eine Neu-Kalibrierung vorgenommen werden. Insofern ist es von Vorteil, dass gemäß der Erfindung nicht nur NTC-Thermistoren, sondern auch zuverlässigere und günstigere PTC-Thermistoren eingesetzt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der PTC-Thermistor ein
PT100 -Thermistor. Bei einem
PT100 -Thermistor handelt es sich um einen Platin-Temperaturfühler bzw. Platinwiderstand, dessen Nennwiderstand Ro bei einer Temperatur von 0 °C gerade 100 Ω beträgt. Der
PT100 ist industriell stark verbreitet und somit eine Standardkomponente. Der
PT100 hat eine sehr gute Langzeitstabilität verglichen mit herkömmlichen NTC-Thermistoren. Die Verwendung eines
PT100 wirkt sich also positiv auf die Beständigkeit des gesamten Wärmeleitfähigkeitsdetektors aus und dient der Driftoptimierung bzw. Driftreduzierung. Daneben können auch die Kosten des Wärmeleitfähigkeitsdetektors reduziert werden. Die Verbindung zwischen dem Stromdurchführungsmittel des Dichtelementes und dem Thermistor kann auf jede im Stand der Technik übliche Weise erfolgen, beispielsweise mittels leitfähiger Kabel.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die offene Kavität ein Messgas und die geschlossene Kavität ein Referenzgas auf. Bei dem Referenzgas handelt es sich um ein Gas im Wesentlichen bekannter Zusammensetzung, dessen Zusammensetzung sich im Laufe der Zeit praktisch nicht verändert. Bei dem Messgas handelt es sich um ein zu analysierendes Gas, das die offene Kavität durchströmt. Zum Schutz der offenen Kavität vor Verunreinigungen kann deren Gaseinlass in prinzipiell bekannter Weise mit einem gasdurchlässigen Filter verschlossen sein, zum Beispiel einem Sinterfilter.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Verwendung des Wärmeleitfähigkeitsdetektors zur Bestimmung des Gehalts einer Komponente in einem Gasgemisch, insbesondere des CO2-Gehalts in Luft oder der Luftfeuchtigkeit, oder eines Gasdrucks. Besonders eignet sich der Wärmeleitfähigkeitsdetektor zur Bestimmung dieser Größen im Inneren eines Gaschromatographen, eines Inkubators, besonders eines Begasungsbrutschranks, oder eines Trockenschrankes oder Vakuum-Trockenschrankes, wie sie in Laboratorien Anwendung finden. Die in diesen Geräten vorherrschende hohe Temperatur, sei es im Normalbetrieb oder bei einem Desinfektionsvorgang, und/oder die hohe Luftfeuchtigkeit stellen besonders hohe Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit und Haltbarkeit der in ihnen zum Einsatz kommenden Wärmeleitfähigkeitsdetektoren. Grundsätzlich erfolgt die Ermittlung der genannten Größen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitsdetektors wie Stand der Technik. Aus der gemessenen Wärmeleitfähigkeit wird indirekt auf die genannten Größen rückgeschlossen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf einen Gaschromatographen mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor der oben näher beschriebenen Art. Dabei ist es so, dass die offene Kavität des Wärmeleitfähigkeitsdetektors mit dem zu analysierenden Gas des Gaschromatographen durchströmt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitsdetektors. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei zumindest die folgenden Schritte auf:
- - Bereitstellen eines Sensorblockes mit einer offenen und einer geschlossenen Kavität;
- - Bereitstellen eines Thermistors mit Anschlusselement;
- - Bereitstellen eines Stromdurchführungsmittel umfassenden Dichtelementes in Form einer Glas-Metall-Durchführung;
- - Verbinden des Thermistors mit dem Stromdurchführungsmittel;
- - Verschweißen, insbesondere mittels Laserschweißen, des Dichtelementes mit dem Sensorblock zum gasdichten Verschließen der geschlossenen Kavität.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden. In den rein schematischen Zeichnungen, die ausschließlich ein bevorzugtes Beispiel der Erfindung beschreiben, ohne dass die Erfindung auf dieses beschränkt wäre, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Im Einzelnen zeigen die Figuren:
- 1(a) eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitsdetektors in gesprengter Darstellung,
- 1 (b) den Wärmeleitfähigkeitsdetektor der 1 (a) mit geschnittener Ansicht des Sensorblocks und
- 2 einen Querschnitt des Wärmeleitfähigkeitsdetektors.
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1 illustriert den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmeleitfähigkeitsdetektors. Im gezeigten Beispiel verfügt der Wärmeleitfähigkeitsdetektor über einen Sensorblock 1 aus Edelstahl, beispielsweise vom Typ 1.4301. Dieser ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Auf einer den Sensorblock mittig teilenden Ebene E sind zwei Kavitäten 2 und 3 ausgebildet, die von der Ebene E ebenfalls mittig geteilt werden. Die Kavitäten 2, 3 weisen einen kreisförmigen Querschnitt gleichen Durchmessers auf. Die Kavität 2 ist in Form eines Sacklochs ausgebildet und am Boden verschlossen. Bei Kavität 3 handelt es sich um eine offene Kavität, die als durch den Sensorblock 1 hindurchführende Durchgangsbohrung ausgebildet ist. Dies ist insbesondere 1(b) zu entnehmen, in der der Sensorblock im Querschnitt entlang der Ebene E gezeigt ist.
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In die Kavitäten
2 und
3 wird jeweils ein Dichtelement
6,
7 eingesetzt.
1(a) und
1(b) zeigen die in die Kavitäten des Sensorblocks einzusetzenden Teile in nicht montiertem Zustand. Bei den Dichtelementen
6,
7 handelt es sich erfindungsgemäß um Glas-Metall-Durchführungen. Sie weisen ein äußeres Metallteil mit zwei Durchgangsöffnungen auf, in die jeweils ein Glasteil
62,
72 eingeschmolzen ist, das wiederum je eine Stromdurchführung
60,
70 dicht umschließt. Die in das Innere der Kavitäten
2,
3 hineinragenden Enden der Stromdurchführungsmittel
60 bzw.
70 sind jeweils elektrisch leitend mittels Kabeln mit einem Thermistor
4 bzw.
5 verbunden. Bei den Thermistoren
4,
5 handelt es sich hier um
PT100 -Thermistoren. Außenseitig sind die Stromdurchführungsmittel
60 bzw.
70 der Dichtelemente
6 bzw.
7 über ein Kabel
8 mit einem Stecker
80 verbunden, über den der Wärmeleitfähigkeitsdetektor an eine Stromquelle angeschlossen werden kann. Die Halterung
9 dient der Sicherung des Kabels
8 und wird in die Kavität
90 im Sensorblock eingesetzt.
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2 zeigt den Wärmeleitfähigkeitsdetektor im zusammengebauten Zustand in einem Querschnitt entlang der Ebene E. Im zusammengebauten Zustand befinden sich die Thermistoren 4 bzw. 5 innerhalb der Kavitäten 2 bzw. 3. Die Dichtelemente 6 bzw. 7 kommen mit dem Sensorblock 1 in Anlage. Dabei kommen die Flansche 61, 71 des metallischen Außenteils der Dichtelemente 6, 7 auf der Oberfläche des Sensorblocks 1 zu liegen, während die an die Flansche 61, 71 anschließenden Bereiche 63, 73 mit ihrem kleineren Durchmesser in die Kavitäten so eingepasst sind, dass ihr Außenumfang sich in einem möglichst geringen Abstand zu den Wänden der Kavitäten 2, 3 befindet. Das äußere Metallteil der Dichtelemente 6, 7 mit Flansch 61, 71 und Hauptteil 63, 73 besteht bevorzugt aus Edelstahl vom Typ 1.4404. Dies erlaubt es, das Material des Außenteils der Dichtelemente 6, 7 mit dem Material des Sensorblocks 1 zu verschweißen. Hierzu wird vorzugsweise ein Laserschweißverfahren eingesetzt. Die Schweißnaht S wird zweckmäßig am Rand der Flansche 61, 71 erzeugt, und zwar so, dass die Schweißnaht S vollständig am Rand des Flansches umläuft und so einen gasdichten Abschluss zwischen Flansch und Sensorblock ergibt. Die dabei erzielte Dichtigkeit ist so hoch, dass ein in der geschlossenen Kavität 2 eingeschlossenes Referenzgas selbst dann nicht aus der Kavität austritt, wenn der Wärmeleitfähigkeitsdetektor sehr hohen Temperaturen, wie sie zum Beispiel mit etwa 180 °C in einem Hochtemperatur-Desinfektionsschritt eines Inkubators auftreten, ausgesetzt ist. Die offene Kavität 3 weist dagegen keine Gasdichtigkeit auf, sondern erlaubt den Eintritt eines Messgases durch die Gaseinlass-Öffnung 30, selbst wenn in diese zum Schutz gegen Verschmutzung ein Filter 31, beispielsweise ein Sinterfilter, eingesetzt ist.
