DE102015207879A1

DE102015207879A1 - Sensorvorrichtung und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102015207879A1
Application number: DE102015207879.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Lang; Gerhard Hueftle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-11-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums. Die Sensorvorrichtung (110) umfasst • mindestens ein Sensorelement (112) zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft, wobei das Sensorelement (112) mindestens eine Membran (126) umfasst; • mindestens ein Gehäuse (114) mit mindestens einer Aufnahme (130), wobei das Sensorelement (112) ganz oder teilweise in der Aufnahme (130) aufgenommen ist; • mindestens ein Dichtelement (116), wobei das Dichtelement (116) zwischen dem Sensorelement (112) und dem Gehäuse (114) angeordnet ist und eingerichtet ist, um das Sensorelement (112) gegen das Gehäuse (114) abzudichten; und • mindestens ein Heizelement (118), wobei das Heizelement (118) eingerichtet ist, um das Dichtelement (116) zu erwärmen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere mindestens eines Gases. Derartige Sensorvorrichtungen werden beispielsweise in der Automobiltechnik zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Gaskomponente eingesetzt, beispielsweise zur Konzentrationsmessung von Sauerstoff in einem Luft-Kraftstoff-Gemisch und/oder zur Konzentrationsmessung von Wasserstoff in einem Wasserstoff-Luft-Gemisch. Die Erfindung ist jedoch auch in anderen Arten der Sensorik einsetzbar.
Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, müssen Gaskonzentrationen zuverlässig bestimmt werden und/oder es muss definiert ein Gasmassenstrom, insbesondere ein Luftmassenstrom, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel, auf das die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Auch die Zuführung von Gasen genau definierter Zusammensetzung für Brennstoffzellen ist als Anwendungsgebiet zu nennen. Auch sicherheitsrelevante Anwendungen sind zu nennen. So kann beispielsweise ein Wasserstoffsensor in Brennstoffzellen-Fahrzeugen eingesetzt werden, um Fahrzeuginsassen bei einem Wasserstoffaustritt, beispielsweise aus den Brennstoffzellen heraus in eine Umgebung oder in einen Abgastrakt, welcher grundsätzlich ganz oder zumindest teilweise Luft und Wasserdampf führt, zu warnen. Luft wird näherungsweise ab einem Wasserstoffanteil von 4 % zündungsfähig und bei höherem Anteil sogar explosionsfähig, so dass der Wasserstoffsensor beispielsweise mit einer entsprechenden Warnvorrichtung oder einer entsprechenden Notfallautomatik oder einer entsprechenden Regelautomatik gekoppelt werden kann. Auch andere sicherheitsrelevante Anwendungen derartiger Gassensoren sind denkbar.
Zur Messung eines Gasstroms und/oder einer Gaskonzentration werden verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt. Eine Klasse derartiger Sensoren sind Sensoren mit einem Sensorchip. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp dieser Klasse ist der so genannte Heißfilmluftmassensensor (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Siliziumsensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Neben der Erfassung einer Strömung spielt die Detektion und Messung von Komponenten, aus welchen sich das jeweilige gasförmige Fluid zusammensetzt, eine große Rolle. Ein Sensorprinzip beruht auf der unterschiedlichen Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit der unterschiedlichen Fluidkomponenten und ist beispielsweise in M. Arndt: „Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications", Sensors, 2002. Proceedings of IEEE beschrieben. So wird beispielsweise zur Detektion von Wasserstoff in einem Luft-Wasserstoff-Gemisch die Tatsache ausgenutzt, dass Wasserstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Luft bzw. die Komponenten der Luft. Bei einem Sensoraufbau, der ähnlich gestaltet ist wie der von Heißfilmluftmassenmessern (HFM), diffundiert zum Beispiel ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch eine dünne Membran oder ein enges Gitter in einen Messraum eines Sensors. Das Vorhandensein von Wasserstoff im gasförmigen Fluid verändert die Temperatur der beheizten Messmembran oder deren Wärmeleistung, die an die Umgebungsluft abgegeben wird. Daraus wiederum wird ein Messsignal erzeugt, welches die Konzentration des Wasserstoffs widerspiegelt.
Die DE 10 2006 010 901 A1 beschreibt einen Fluidsensor zur Detektion von fluiden Medien, der einen Sensorchip mit einer mit dem fluiden Medium beaufschlagbaren Chipoberfläche aufweist. Diese Chipoberfläche beinhaltet eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche. Auf der Messoberfläche sind Leiterbahnen einer Sensorschaltung mit mindestens einem Heizelement und mindestens einem Temperaturfühler aufgebracht.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorvorrichtungen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So liegt beim Einsatz im Abgastrakt von Brennstoffzellensystemen im Allgemeinen eine hohe Luftfeuchte vor. Dies führt zu Kondensation und Vereisung. Derartige Einflüsse führen zu Messeffekten, die nicht mit einer zu messenden Konzentrationsänderung in Zusammenhang stehen.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die oben genannten Probleme bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden und welche in den Ansprüchen dargestellt sind.
Unter einem "fluiden Medium" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger Stoff im fluiden, insbesondere gasförmigen, Zustand zu verstehen, welcher einer beliebig langsamen Scherung keinen Widerstand entgegensetzt. Im Allgemeinen kann der fluide Zustand eines Stoffes temperatur- und/oder druckabhängig sein. Das fluide Medium kann als Reinstoff oder als Stoffgemisch vorliegen. Beispielsweise kann es sich um ein Luft-Wasserstoff-Gemisch handeln. Auch andere Gase oder Gasgemische sind beispielsweise einsetzbar.
Die Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere des Gases, umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft, mindestens ein Gehäuse mit mindestens einer Aufnahme, mindestens ein Dichtelement und mindestens ein Heizelement. Das Sensorelement umfasst mindestens eine Membran. Das Sensorelement ist ganz oder teilweise in der Aufnahme aufgenommen. Das Dichtelement ist zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse angeordnet und eingerichtet, um das Sensorelement gegen das Gehäuse abzudichten. Das Heizelement ist eingerichtet, um das Dichtelement zu erwärmen.
Unter einem "Sensorelement" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiges Element zu verstehen, mittels dessen mindestens eine Messgröße erfasst werden kann. Das Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Signal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Signal, beispielsweise ein analoges und/oder digitales Signal. Das Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Wärmeleitfähigkeit eines Gases zu bestimmen. Der Begriff "Wärmeleitfähigkeit" beschreibt im Allgemeinen einen Transport von Energie, in Form von Wärme, durch einen Stoff aufgrund eines Temperaturgefälles. Das Sensorelement kann als Chip ausgebildet sein. Der Chip kann mindestens ein Basiselement umfassen, welches mindestens eine Kaverne aufweist. Der Begriff "Kaverne" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen frei und/oder offen gestalteten Hohlraum und/oder eine Aussparung in dem Basiselement, wobei es sich beispielsweise um einen durchgängigen Hohlraum oder auch um einen lediglich in das Basiselement hineinragenden Hohlraum handeln kann.
Die Membran kann sich über eine Oberfläche des Basiselements erstrecken und die Kaverne des Basiselements zumindest teilweise bedecken. Das Basiselement und/oder die Kaverne können eine quaderförmige Grundform aufweisen. Andere Ausführungsformen sind jedoch denkbar. Weiterhin kann das Basiselement aus mindestens einem Halbmaterial hergestellt sein. Das Halbleitermaterial kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Germanium, Bor, Selen, einer Siliziumverbindung, einer Galliumverbindung, einer Indiumverbindung. Die Membran kann ebenfalls das mindestens eine Halbmaterial in Reinform oder als Verbindung aufweisen. Weiterhin können die Membran und das Basiselement gemeinsam als Chip ausgebildet sein.
Weiterhin kann das Sensorelement mindestens ein auf der Membran angeordnetes Messelement umfassen. Der Begriff "Messelement" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung ein vorzugsweise elektronisches Gerät, welches eingerichtet ist, um mindestens ein Signal zu detektieren. Insbesondere kann es sich bei dem Messelement um einen Temperaturfühler handeln. Beispielsweise kann der Temperaturfühler mindestens einen elektrischen Widerstand aufweisen.
Unter einer "Membran" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiges Element mit einer quadratischen, rechteckigen, polygonförmigen oder gerundeten flächigen Form und einer Dicke zu verstehen, wobei die Ausdehnung des Elements in den Dimensionen innerhalb der flächigen Form die Dicke des Elements überschreitet, beispielsweise um einen Faktor von 10 bis 10000, vorzugsweise um einen Faktor von 100 bis 3000, vorzugsweise um einen Faktor von 400 bis 1600, vorzugsweise um einen Faktor von 600 bis 1000. Die Membran kann für unterschiedliche Stoffe unterschiedlich durchlässig gestaltet sein. Beispielsweise kann die Membran zumindest weitgehend undurchlässig für mindestens einen oder mehrere Stoffe sein. Beispielsweise kann die Membran für mindestens einen oder mehrere Stoffe in eine Richtung durchlässig sein. Beispielsweise kann die Membran für mindestens einen oder mehrere Stoffe in beide Richtungen durchlässig sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich möglich.
Der Begriff "Gehäuse" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebig geformtes Bauteil, welches mindestens einen Gehäuseinnenraum umschließt. Der Gehäuseinnenraum kann eingerichtet sein, um das fluide Medium aufzunehmen. Das Gehäuse kann ganz oder teilweise als Rohr ausgebildet sein. Der Begriff "Rohr" bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen, von einem fluiden Medium durchströmbaren Hohlkörper. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlkörper handeln. Das Rohr kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem starren Material oder auch ganz oder teilweise aus einem flexiblen Material hergestellt sein, beispielsweise einem Metall und/oder einem Kunststoff. Das Rohr kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden, einen ovalen oder einen polygonalen Querschnitt. Alternativ kann das Gehäuse auch ein Bauteil umfassen, das in der Aufnahme des Rohrs befestigt ist. Beispielsweise kann das Bauteil ein Steckfühler sein, welcher im Rohr der Brennstoffzelle befestigt ist. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
Das Gehäuse umfasst weiterhin mindestens eine Aufnahme. Die Aufnahme kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind denkbar. Das Sensorelement ist ganz oder teilweise in der Aufnahme aufgenommen.
Der Begriff "Dichtelement" bezeichnet ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, um das Sensorelement gegen das Gehäuse abzudichten. Das Dichtelement kann eingerichtet sein, um Wärme an den Gehäuseinnenraum zu übertragen. Weiterhin kann das Dichtelement eingerichtet sein, um eine durchgängige Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Sensorelement zu bilden. Das Dichtelement ist zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse angeordnet. Das Dichtelement kann ein beliebig geformtes Element sein, vorzugsweise ein Dichtungsring, vorzugsweise ein O-Ring mit einem runden Querschnitt. Das Dichtelement kann ganz oder teilweise aus einem medienresistenten Material hergestellt sein. Insbesondere kann das Dichtelement ganz oder teilweise aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt sein. Das Dichtelement kann mindestens ein Matrixmaterial umfassen, insbesondere ein medienresistentes Matrixmaterial, welchem mindestens ein weiteres Material beigemischt ist. Das weitere Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem metallischen Werkstoff, mindestens einem keramischen Werkstoff. Der metallische und/oder der keramische Werkstoff können als Partikel ausgebildet sein. Insbesondere können die Partikel eine Partikelgröße oder mittlere Partikelgröße von weniger als 1 mm aufweisen, vorzugsweise von weniger als 100 µm. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 0,5 µm bis 100 µm handeln.
Das Heizelement ist eingerichtet, um das Dichtelement zu erwärmen. Weiterhin kann das Heizelement eingerichtet sein, um einen Wärmestrom zu erzeugen. Der Begriff „Wärmestrom“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen Wärmeübertrag. Im Allgemeinen erfolgt der Wärmeübertrag infolge eines Temperaturunterschiedes in Richtung eines Ortes mit einer tieferen Temperatur. Beispielsweise kann der Wärmeübertrag von einer Stelle eines Bauteils zu einer anderen Stelle eines Bauteils erfolgen. Beispielsweise kann der Wärmeübertrag von einem Bauteil in ein anderes Bauteil erfolgen. Weiterhin kann das Heizelement mindestens einen Heizwiderstand umfassen. Das Heizelement kann eine längliche Form aufweisen. Andere Ausführungsformen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Das Heizelement kann ganz oder teilweise auf dem Sensorelement angeordnet sein. Das Heizelement kann außerhalb der Membran angeordnet sein, insbesondere in und/oder auf dem Basiselement. Weiterhin kann das Heizelement ganz oder teilweise außerhalb des Sensorelements angeordnet sein. Das Heizelement kann ganz oder teilweise formschlüssig zwischen dem Dichtelement und dem Gehäuse angeordnet sein. Weiterhin kann das Heizelement formschlüssig zwischen dem Dichtelement und dem Sensorelement angeordnet sein. Alternativ kann das Heizelement zumindest teilweise innerhalb des Dichtelements angeordnet sein. Das Heizelement kann in den Gehäuseinnenraum hineinragen. Das Heizelement kann teilweise als stoffschlüssig umspritztes Einlegeteil vorliegen. Das Heizelement kann weiterhin eine längliche Form aufweisen und sich über mehrere Ebenen innerhalb des Dichtelements erstrecken. Das Heizelement kann aus mindestens einem Material hergestellt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, mindestens einem wärmeleitfähigen Material. Das elektrisch leitfähige Material des Heizelements kann vorzugsweise aus dem Dichtelement herausragen.
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens einen Wärmeleiter umfassen, welcher eingerichtet ist, um Wärme in den Gehäuseinnenraum zu transportieren. Der Wärmeleiter kann ein erstes und ein zweites Ende aufweisen. Der Wärmeleiter kann weiterhin eine längliche Form aufweisen. Das erste Ende des Wärmeleiters kann zumindest teilweise innerhalb des Dichtelements angeordnet sein. Das erste Ende des Wärmeleiters kann von dem Dichtelement umschlossen sein. Weiterhin kann der Wärmeleiter zumindest teilweise als stoffschlüssig umspritztes Einlegeteil vorliegen. Das zweite Ende des Wärmeleiters kann in einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses hineinragen. Der Wärmeleiter und das mindestens eine Heizelement können als ein Bauteil ausgebildet sein. Der Wärmeleiter kann aus mindestens einem wärmeleitfähigen Material hergestellt sein, vorzugsweise aus Edelstahl. Der Wärmeleiter kann weiterhin eine Beschichtung aufweisen, die zum Schutz gegen Korrosion eingerichtet ist.
Weiterhin wird, wie oben ausgeführt, ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Das Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können beispielsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Eine andere Reihenfolge ist jedoch ebenfalls denkbar. Weiterhin können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Das Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums umfasst die Verwendung der Sensorvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wie nach einer der Ausführungsformen, die oben bereits ausgeführt wurden oder im Folgenden beschrieben werden. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Aufheizen des Heizelements und ein Ausbilden eines Wärmestroms von dem Heizelement in einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses, welcher mit dem fluiden Medium gefüllt ist. Durch das Aufheizen wird vorzugsweise eine Kondensatbildung und/oder eine Vereisung an dem Sensorelement zumindest teilweise vermindert.
In einem Ausführungsbeispiel, in welchem das Heizelement ganz oder teilweise auf dem Sensorelement angeordnet ist, kann das Verfahren weiterhin ein Ausbilden eines Wärmestroms von dem Sensorelement in den Gehäuseinnenraum umfassen. In einem Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung, in welchem das Heizelement ganz oder teilweise außerhalb des Sensorelements angeordnet ist, kann das Verfahren weiterhin ein Ausbilden eines Wärmestroms von dem mindestens einen Heizelement in das Dichtelement und weiterhin ein Ausbilden eines Wärmestroms von dem Dichtelement in den Gehäuseinnenraum umfassen. In einem Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung, in welchem die Sensorvorrichtung weiterhin mindestens einen Wärmeleiter umfasst, kann das Verfahren weiterhin ein Ausbilden eines Wärmestroms von dem Dichtelement in den Wärmeleiter und ein Ausbilden eines Wärmestroms von dem Wärmeleiter in den Gehäuseinnenraum umfassen. Bei dem Verfahren kann weiterhin ein Verdampfen, ein Schmelzen und/oder ein Sublimieren von wässrigen Bestandteilen an mindestens einer Oberfläche des Sensorelements erfolgen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung der Sensorvorrichtung nach einem der oben beschriebenen oder nachfolgend noch näher dargestellten Ausführungsbeispiele vorgeschlagen, in einer Anwendung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Wasserstoffsicherheitssensor, insbesondere für Automotive-Brennstoffzellensysteme; einem Feuchtemesser, insbesondere in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Einsatz nach einem Turbolader; einem Brennstoffzellensystem; einem Wasserstoffverbrennungsmotor; einem Sicherheitssensor, insbesondere zum Einsatz in einer Anlage zur Wasserstofferzeugung oder zur Energieerzeugung aus Wasserstoff; einer analytischen Vorrichtung, insbesondere einer Gasanalyse-Anlage, insbesondere einer Gaschromatographie-Anlage.
Die vorgeschlagene Vorrichtung, das Verfahren und die Verwendung weisen gegenüber bekannten Sensorvorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So kann eine Bildung von Kondenswasser oder von Eis verhindert werden, oder bereits vorhandenes Kondensat und/oder Eis verdampft, geschmolzen oder sublimiert werden. Insbesondere kann dies bei einem Einsatz in einem Abgastrakt eines Brennstoffzellensystems aufgrund einer vorliegenden hohen Luftfeuchte wünschenswert sein. Durch die Platzierung des mindestens einen Heizelements in dem ohnehin benötigten Dichtelement kann eine sensornahe Anbringung und somit ein kompakter Gesamtaufbau der Sensorvorrichtung ermöglicht werden. Weiterhin kann das Heizelement direkt an der bezüglich der Kondensation kritischsten Stelle nahe des Sensorelements wirken.
Zur Erwärmung des Dichtelements können Heizelemente auf dem Basiselement oder separate Heizelemente verwendet werden. Das separate Heizelement kann formschlüssig zwischen dem Dichtelement und dem Gehäuse oder zwischen dem Dichtelement und dem Sensorelement geklemmt sein oder als stoffschlüssig umspritztes oder teilumspritztes Einlegeteil in dem Gehäuse oder in dem Dichtelement vorliegen. Folglich kann sich ein Wärmestrom von dem Heizelement in das Dichtelement einstellen.
Das Dichtelement kann vorzugsweise medienresistent gestaltet sein. Für den Anwendungsfall im Abgastrakt von Brennstoffzellensystemen können hierfür aufgrund des vorliegenden hochaggressiven deionisierten Wassers keine Silikone, Epoxide oder vergleichbare Klebstoffe verwendet werden. Stattdessen kann vorzugsweise ein Elastomer verwendet werden, beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk. Zur besseren Wärmeleitung kann ein weiterer Stoff beigemischt werden, beispielsweise ein metallischer und/oder ein keramischer Werkstoff, beispielsweise in Form von Partikeln.
Das Dichtelement kann Wärme direkt, über weitere Bauteile, beispielsweise über das Gehäuse oder je nach Temperaturgradient auch über das Sensorelement an das zu messende fluide Medium abgeben. Folglich kann Flüssigwasser oder Eis verdampft, geschmolzen oder sublimiert werden. Kondensiertes Wasser oder geschmolzenes Eis kann grundsätzlich an einer Rohrwandung des Gehäuses von dem Sensorelement weg nach unten abfließen. Zusätzlich kann im Falle des Ausführungsbeispiels, bei dem das Heizelement auf dem Basiselement angeordnet ist, auch Wärme von dem Heizelement über das Basiselement direkt auf das Gas übertragen werden. Der Wärmestrom kann zu einer Vermeidung von Problemen durch Kondenswasser oder Eis beitragen. Bei der Wahl eines eher wärmeisolierenden Dichtelements kann eine geringere Heizleistung ausreichen, allerdings kann ein Schutz vor Kondenswasser und/oder Vereisung nur innerhalb eines deutlich kleineren Bereichs wirken.
Die Heizelemente können entweder selbst von einem elektrischen Strom durchflossen sein, oder aus mehreren Werkstoffen und/oder Bereichen bestehen, von denen ein Werkstoff oder Bereich von Strom durchflossen wird und der mindestens eine weitere Werkstoff und/oder Bereich die so erzeugte Wärme an das Dichtelement weitergibt. Der stromdurchflossene Bereich kann innerhalb oder außerhalb des Dichtelements angeordnet sein.
Weiterhin kann ein zusätzliches wärmeleitendes Bauteil, insbesondere ein Wärmeleiter, verwendet werden, welches eingerichtet ist, um Wärme von dem Dichtelement in das zu messende fluide Medium zu transportieren. Der Wärmeleiter kann entweder von der Kaverne ausgehend mit Hilfe des Dichtelements abgedichtet ohne Unterbrechung durchgehend bis in den Bereich des zu messenden Gases ragen. Der Wärmeleiter kann identisch mit dem Heizelement sein.
Um eine bessere Abdichtung zu gewährleisten, kann der in den Messbereich hineinragende Wärmeleiter innerhalb des Dichtungselements enden, so dass das Dichtelement Wärme an den Wärmeleiter abgeben kann, welches den Wärmestrom weiterleiten kann. Zur Erzielung reproduzierbarer thermischer Randbedingungen einer Wärmeleitfähigkeitsmessung in der Nähe des Sensorelements kann der Wärmeleiter ausreichend weit entfernt von dem Sensorelement angeordnet sein. Eine Anordnung besonders nahe am Sensorelement kann jedoch bevorzugt sein, falls eine gute thermische Kopplung des Wärmeleiters mit dem Sensorelement gewährleistet werden soll. Der Wärmeleiter kann vorzugsweise aus einem Edelstahl gefertigt sein, um eine gute Medienresistenz zu erzielen.
Um einen guten Wärmeübertrag von dem Heizelement zu dem Wärmeleiter zu erzielen, können das Heizelement und der Wärmeleiter so angeordnet sein, dass sie sich innerhalb des Dichtelements an mindestens einer Stelle, besser jedoch über eine größere Fläche hinweg möglichst nahe kommen. Die Gesamtgeometrie des Dichtelements, des Heizelements und des Wärmeleiters können so gewählt werden, dass das Dichtelement eine durchgängige Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Sensorelement bilden kann. Die Dichtflächen können abhängig von einer gewählten Druckformung des Dichtelements ausreichend groß für eine dauerhafte Dichtigkeit bemessen werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums;
2A und 2B Schnittdarstellungen eines zweiten und dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; und
3 eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Gases. Die Sensorvorrichtung 110 umfasst mindestens ein Sensorelement 112, mindestens ein Gehäuse 114, mindestens ein Dichtelement 116 und mindestens ein Heizelement 118.
Das Sensorelement 112 kann als Chip 120 ausgebildet sein. Der Chip 120 kann mindestens ein Basiselement 122 umfassen, welches mindestens eine Kaverne 124 aufweist. Das Basiselement 122 und/oder die Kaverne 124 können eine quaderförmige Grundform aufweisen. Das Sensorelement 112 umfasst weiterhin mindestens eine Membran 126. Die Membran 126 kann sich über eine Oberfläche des Basiselements 122 erstrecken und die Kaverne 124 zumindest teilweise bedecken. Die Membran 126 und das Basiselement 122 können gemeinsam als Chip 120 ausgebildet sein. Das Basiselement 122 und/oder die Membran 126 können aus mindestens einem Halbleitermaterial in Reinform oder als Verbindung hergestellt sein. Das Sensorelement 112 kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Wärmeleitfähigkeit des Gases zu bestimmen.
Das Gehäuse 114 kann ganz oder teilweise als Rohr 128 ausgebildet sein. Das Gehäuse 114 kann alternativ oder zusätzlich einen Steckfühler umfassen, welcher beispielsweise in dem Rohr 128 befestigt ist. Das Rohr 128 kann beispielsweise einen runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen. Das Gehäuse 114 umfasst mindestens eine Aufnahme 130. Das Sensorelement 112 ist ganz oder teilweise in der Aufnahme 130 aufgenommen. Das Gehäuse 114 kann einen Gehäuseinnenraum 132 umschließen. Weiterhin kann das Gehäuse 114 ganz oder teilweise aus einem starren Material hergestellt sein, beispielsweise aus einem Metall und/oder einem Kunststoff. Der Gehäuseinnenraum 132 kann eingerichtet sein, um das Gas oder ein anderes fluides Medium aufzunehmen.
Das Dichtelement 116 ist zwischen dem Sensorelement 112 und dem Gehäuse 114 angeordnet. Das Dichtelement 116 kann beispielsweise ein Dichtungsring 134 mit einem runden Querschnitt sein, beispielsweise ein O-Ring aus einem Elastomermaterial. Auch andere Ausführungsformen sind denkbar. Das Dichtelement 116 kann ganz oder teilweise aus einem medienresistenten Material hergestellt sein. Insbesondere kann das Dichtelement 116 ganz oder teilweise aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt sein. Das Dichtelement 116 ist eingerichtet, um das Sensorelement 112 gegen das Gehäuse 114 abzudichten. Weiterhin kann das Dichtelement 116 eingerichtet sein, um Wärme an den Gehäuseinnenraum 132 zu übertragen.
Das Heizelement 118 kann eine längliche Form aufweisen. Andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Das Heizelement 118 kann weiterhin aus mindestens einem Material hergestellt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, mindestens einem wärmeleitfähigen Material. In 1 sind zwei mögliche Anordnungen des Heizelements 118 gezeigt, welche unabhängig voneinander einzeln oder auch in Kombination realisierbar sind. Beispielsweise kann das Heizelement 118 ganz oder teilweise auf dem Sensorelement 112 angeordnet sein, insbesondere auf dem Basiselement 122. Weiterhin kann das Heizelement 118 ganz oder teilweise außerhalb des Sensorelements 112 angeordnet sein. Beispielsweise kann das Heizelement 118 ganz oder teilweise formschlüssig zwischen dem Dichtelement 116 und dem Gehäuse 114 angeordnet sein. Das Heizelement 118 kann weiterhin teilweise aus dem Dichtelement 116 herausragen. Das Heizelement 118 ist eingerichtet, um das Dichtelement 116 zu erwärmen. Weiterhin kann das Heizelement 118 eingerichtet sein, um einen Wärmestrom zu erzeugen.
Weiterhin sind in 1 mögliche Wärmestrompfade 136 gezeigt und mit W₁, W₂, W₂‘, W₂‘‘, W₃, W₄ und W₅ bezeichnet. Wärme kann von dem Heizelement 118 an das Dichtelement 116 übertragen werden (Wärmestrompfade W₄ und W₅). Das Dichtelement 116 kann Wärme direkt in den Gehäuseinnenraum 132 übertragen. Dies ist in 1 durch einen direkten Wärmestrompfad 138, auch bezeichnet als W₁, gezeigt. Alternativ oder zusätzlich kann Wärme über das Gehäuse 114 abgegeben werden (Wärmestrompfade W₂, W₂‘, W₂‘‘). Wiederum alternativ oder zusätzlich kann Wärme über das Sensorelement 112 abgegeben werden (Wärmestrompfad W₃). Die Ausbildung der Wärmestrompfade kann insbesondere von einem Temperaturgradienten abhängig sein. Schematisch sind indirekte Wärmestrompfade in 1 mit der Bezugsziffer 140 bezeichnet.
2A und 2B zeigen Schnittdarstellungen eines zweiten und dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110. Aufgrund einer möglichen Symmetrie der Sensorvorrichtung 110 bezüglich der Linie A-A ist in den 2A und 2B jeweils nur eine Hälfte der Schnittdarstellungen gezeigt. Die Ausführungsbeispiele entsprechen in weiten Teilen der Anordnung gemäß 1, so dass weitgehend auf die Beschreibung der 1 oben verwiesen werden kann. Unterschiede bestehen in der unterschiedlichen Anordnung und Ausgestaltung der Heizelemente 118.
In 2A kann das Heizelement 118 eine längliche Form aufweisen. Weiterhin kann das Heizelement 118 formschlüssig zwischen dem Dichtelement 116 und dem Sensorelement 112 angeordnet sein. Das Heizelement 118 kann insbesondere als teilweise stoffschlüssig umspritztes Einlegeteil vorliegen. Das Heizelement 118 kann aus dem Dichtelement 116 herausragen.
In 2B kann das Heizelement 118 ebenfalls als zumindest teilweise stoffschlüssig umspritztes Einlegeteil vorliegen. Weiterhin kann das Heizelement 118 eine längliche Form aufweisen und sich über mehrere Ebenen innerhalb des Dichtelements 116 erstrecken. Weitere Ausführungsformen und Anordnungen des Heizelements 116 sind jedoch denkbar.
3 zeigt eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110. Auch hier ist aufgrund der möglichen Symmetrie der Sensorvorrichtung 110 bezüglich der Linie A-A nur eine Hälfte der Schnittdarstellung gezeigt. Die Sensorvorrichtung 110 entspricht in weiten Teilen der Anordnung gemäß 1, so dass wiederum weitgehend auf die Beschreibung der 1 oben verwiesen werden kann.
Die Sensorvorrichtung 110 kann weiterhin mindestens einen Wärmeleiter 142 umfassen. Der Wärmeleiter 142 kann eine längliche Form aufweisen. Weiterhin kann der Wärmeleiter 142 ein erstes Ende 144 und ein zweites Ende 146 aufweisen. Das erste Ende 144 kann in den Gehäuseinnenraum 132 hineinragen. Das zweite Ende 146 kann von dem Dichtelement 116 umschlossen sein. Der Wärmeleiter 142 kann ganz oder teilweise formschlüssig zwischen dem Dichtelement 116 und dem Sensorelement 112 angeordnet sein. Auch andere Anordnungen sind grundsätzlich denkbar. Der Wärmeleiter 142 kann aus mindestens einem wärmeleitfähigen Material hergestellt sein, vorzugsweise aus einem metallischen Material, beispielsweise Edelstahl. Der Wärmeleiter 142 kann eingerichtet sein, um Wärme in den Gehäuseinnenraum 132 zu transportieren. Insbesondere kann Wärme von dem Dichtelement 116 an den Wärmeleiter 142 abgegeben werden. Weiterhin kann der Wärmeleiter 142 Wärme in den Gehäuseinnenraum 132 transportieren. Dies ist in 3 durch Wärmestrompfade 136 schematisch dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19601791 A1 [0003]
DE 102006010901 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Arndt: „Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications“, Sensors, 2002. Proceedings of IEEE [0004]

Claims

Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, umfassend • mindestens ein Sensorelement (112) zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft, wobei das Sensorelement (112) mindestens eine Membran (126) umfasst; • mindestens ein Gehäuse (114) mit mindestens einer Aufnahme (130), wobei das Sensorelement (112) ganz oder teilweise in der Aufnahme (130) aufgenommen ist; • mindestens ein Dichtelement (116), wobei das Dichtelement (116) zwischen dem Sensorelement (112) und dem Gehäuse (114) angeordnet ist und eingerichtet ist, um das Sensorelement (112) gegen das Gehäuse (114) abzudichten; und • mindestens ein Heizelement (118), wobei das Heizelement (118) eingerichtet ist, um das Dichtelement (116) zu erwärmen.
Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorelement (112) als Chip (120) ausgebildet ist, wobei der Chip (120) mindestens ein Basiselement (122) umfasst, wobei das Basiselement (122) mindestens eine Kaverne (124) aufweist, wobei sich die Membran (126) über eine Oberfläche des Basiselements (122) erstreckt, wobei die Kaverne (124) des Basiselements (122) von der Membran (126) bedeckt wird.
Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (112) mindestens ein auf der Membran (126) angeordnetes Messelement umfasst.
Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (114) mindestens einen Gehäuseinnenraum (132) umschließt, wobei der Gehäuseinnenraum (132) eingerichtet ist, um das Gas aufzunehmen.
Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (116) eingerichtet ist, um Wärme an den Gehäuseinnenraum (132) zu übertragen.
Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Heizelement (118) ganz oder teilweise auf dem Sensorelement (112) angeordnet ist, wobei das Heizelement (118) außerhalb der Membran (126) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Heizelement (118) ganz oder teilweise außerhalb des Sensorelements (112) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das mindestens eine Heizelement (118) ganz oder teilweise formschlüssig zwischen dem Dichtelement (116) und dem Gehäuse (114) und/oder zwischen dem Dichtelement (116) und dem Sensorelement (112) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Heizelement (118) zumindest teilweise innerhalb des Dichtelements (116) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (110) weiterhin einen Wärmeleiter (142) umfasst, um Wärme in den Gehäuseinnenraum (132) zu transportieren.
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, wobei die Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Verfahren ein Aufheizen des Heizelements (118) und ein Ausbilden eines Wärmestroms von dem Heizelement (118) in einen Gehäuseinnenraum (132) des Gehäuses (114) umfasst, wobei der Gehäuseinnenraum (132) mit dem fluiden Medium gefüllt ist, und wobei durch das Aufheizen eine Kondensatbildung und/oder eine Vereisung an dem Sensorelement (112) zumindest teilweise vermindert wird.
Verwendung der Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden, eine Sensorvorrichtung (110) betreffenden Ansprüche in einer Anwendung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Wasserstoff-Sicherheitssensor; einem Feuchtemesser; einem Brennstoffzellensystem; einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor; einem Sicherheitssensor; einer analytischen Vorrichtung.