DE102016205776A1

DE102016205776A1 - Calorimetric determination of a gas concentration

Info

Publication number: DE102016205776A1
Application number: DE102016205776.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Lang; Tobias Sebastian Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-10-12
Also published as: WO2017174410A1

Abstract

Eine Messeinrichtung zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Fluid umfasst eine Struktur mit einer Kavität; und eine über der Kavität angebrachte Membran, die thermisch mit dem Fluid gekoppelt ist. An der Membran ist ein Widerstand zur Eintragung einer Heizleistung angebracht, wobei ein Leitwert des Widerstands von seiner Temperatur abhängig ist. Eine Wheatstone-Messbrücke umfasst den Widerstand, sodass eine Messspannung an der Messbrücke auf den thermischen Leitwert des Fluids hinweist. Dabei ist mindestens ein Widerstand der Messbrücke an einer Membran angebracht und diese Membran ist die des Widerstands zur Eintragung der Heizleistung.A measuring device for the calorimetric determination of a gas concentration in a fluid comprises a structure with a cavity; and a membrane mounted over the cavity that is thermally coupled to the fluid. On the membrane, a resistor for recording a heating power is attached, wherein a conductance of the resistor is dependent on its temperature. A Wheatstone measuring bridge comprises the resistor, so that a measuring voltage at the measuring bridge indicates the thermal conductance of the fluid. At least one resistor of the measuring bridge is attached to a membrane and this membrane is that of the resistor for recording the heating power.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft die Bestimmung einer Gaskonzentration. Insbesondere betrifft die Erfindung einen mikromechanischen Sensor zur Bestimmung der Gaskonzentration auf der Basis einer Wärmeleitfähigkeit des Gases und ein Bestimmungsverfahren.The invention relates to the determination of a gas concentration. In particular, the invention relates to a micromechanical sensor for determining the gas concentration on the basis of a heat conductivity of the gas and a determination method.

Stand der TechnikState of the art

In einem fluiden Volumenstrom, insbesondere einem Gasstrom, soll die Konzentration eines vorbestimmten Gases bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff verbrennt, einen luftgefüllten Abgastrakt umfassen, in welchem die Konzentration von Wasserstoff bestimmt werden soll. Zur kalorimetrischen Messung wird das Fluid mittels eines Heizwiderstands erwärmt und dabei wird die Temperatur des Widerstands beobachtet. Je niedriger der Wärmeleitwert des Fluids ist, desto stärker erwärmt sich der Widerstand. Aus einem Zusammenhang zwischen Heizleistung und Temperatur kann auf die Wärmeleitfähigkeit des Fluids geschlossen werden. Wasserstoff hat im Vergleich zu Luft eine etwa zehnfach höhere Wärmeleitfähigkeit, sodass auf der Basis der Wärmeleitfähigkeit im gegebenen Beispiel die Konzentration von Wasserstoff in Luft bestimmt werden kann.In a fluid volume flow, in particular a gas flow, the concentration of a predetermined gas is to be determined. For example, a fuel cell that burns hydrogen and oxygen may include an air-filled exhaust tract in which the concentration of hydrogen is to be determined. For calorimetric measurement, the fluid is heated by means of a heating resistor and the temperature of the resistor is observed. The lower the thermal conductivity of the fluid, the more the resistance heats up. From a relationship between heating power and temperature can be concluded that the thermal conductivity of the fluid. Compared to air, hydrogen has about ten times higher thermal conductivity, so that the concentration of hydrogen in air can be determined based on the thermal conductivity in the given example.

Allerdings kann die Wärmeleitfähigkeit des Fluids auch durch ein zusätzliches Gas beeinflusst werden, in obigem Beispiel etwa durch Wasserdampf, der als Reaktionsprozess entstehen kann. Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffs ist im Allgemeinen abhängig von dessen Temperatur, sodass sich die Einflüsse von Wasserdampf und Wasserstoff unterscheiden lassen, indem kalorimetrische Bestimmungen der Wärmeleitfähigkeit des Fluids bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden.However, the heat conductivity of the fluid can also be influenced by an additional gas, in the example above, for example, by steam, which can arise as a reaction process. The thermal conductivity of a substance is generally dependent on its temperature, so that the effects of water vapor and hydrogen can be distinguished by calorimetric determinations of the thermal conductivity of the fluid at different temperatures.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.The invention has for its object to provide an improved technique for the calorimetric determination of a gas concentration. The invention solves this problem by means of the subject matters of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Eine Messeinrichtung zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Fluid umfasst eine Struktur mit einer Kavität und eine über der Kavität angebrachte Membran, die thermisch mit dem Fluid gekoppelt ist. An der Membran ist ein Widerstand zur Eintragung einer Heizleistung angebracht, wobei der Leitwert des Widerstands von seiner Temperatur abhängig ist. A measuring device for the calorimetric determination of a gas concentration in a fluid comprises a structure with a cavity and a membrane mounted above the cavity, which is thermally coupled to the fluid. The membrane is fitted with a resistance to record a heating power, the resistance of which depends on its temperature.

Wird die Temperatur des Widerstands auf der Basis seines Leitwerts bestimmt, so kann die Leitwertbestimmung beispielsweise von den Effekten unterschiedlicher Ströme zur Bewirkung unterschiedlicher Temperaturen am Widerstand beeinflusst sein. Insbesondere kann ein Nutzsignal am Widerstand kleiner als ein Offset sein, der entstehen kann, wenn der Widerstand von unterschiedlichen Strömen, die zur Erreichung der unterschiedlichen Temperaturen nötig sind, durchflossen wird. Zur Kompensation beispielsweise des Offsets können vier Heizwiderstände nach Art einer Wheatstone-Messbrücke zusammengeschaltet werden und dem Fluid teilweise oder ganz ausgesetzt werden. Die Wheatstone-Messbrücke umfasst dabei den Widerstand, sodass eine Messspannung an der Messbrücke auf den thermischen Leitwert des Fluids hinweist. Wenigstens ein Widerstand der Messbrücke liegt ebenfalls an einer Membran. Es wird vorgeschlagen, in der Messeinrichtung funktional nur eine einzige Membran vorzusehen, sodass der oder die an einer Membran angebrachten Widerstände der Messbrücke an der Membran des Heizwiderstands liegen. For example, if the temperature of the resistor is determined on the basis of its conductance, the conductance determination may be affected by the effects of different currents to cause different temperatures at the resistor. In particular, a useful signal at the resistor may be smaller than an offset, which may arise when the resistance of different currents, which are necessary to achieve the different temperatures, flows through. To compensate, for example, the offset four heating resistors can be interconnected in the manner of a Wheatstone bridge and the fluid partially or completely suspended. In this case, the Wheatstone measuring bridge comprises the resistor, so that a measuring voltage at the measuring bridge indicates the thermal conductivity of the fluid. At least one resistance of the measuring bridge is also located on a membrane. It is proposed to provide functionally only a single membrane in the measuring device, so that the one or more attached to a membrane resistors of the measuring bridge are located on the membrane of the heating resistor.

Durch die beschriebene Messeinrichtung kann eine Wheatstone-Messbrücke eingesetzt werden, ohne alle vier Widerstände der Messbrücke auf der Membran anzuordnen. Insbesondere kann dadurch eine Lösung mit mehreren Membranen oder mit einer geteilten Membran vermieden werden. Dies hat Vorteile bzgl. der Weiterverarbeitung des Chips, da eine Abdichtung der Membranen oder von Bereichen der Membran ansonsten aufwändig sein kann, insbesondere wenn deionisiertes Reinstwasser vorliegt wie potentiell im Bereich einer Brennstoffzelle. Auch eine Ausfallwahrscheinlichkeit der Messeinrichtung aufgrund eines Membranbruchs kann verringert sein.By the measuring device described, a Wheatstone measuring bridge can be used without arranging all four resistors of the measuring bridge on the membrane. In particular, a solution with several membranes or with a split membrane can be avoided. This has advantages with respect to the further processing of the chip, since a sealing of the membranes or of regions of the membrane can otherwise be complicated, in particular if deionized ultrapure water is present as potentially in the region of a fuel cell. A probability of failure of the measuring device due to a diaphragm rupture can be reduced.

Die Messeinrichtung kann auf bekannte Weise in einem mikromechanischen Sensor angeordnet werden. Zur Herstellung der Messeinrichtung können die bislang verwendeten Produktionsmethoden ausreichen. Abweichungen der Leitwerte der Widerstände können mittels der Messbrücke gegeneinander kompensiert werden, sodass sie nicht in die Bestimmung eingehen. Herstellungskosten für die Messeinrichtung können aufgrund des nur einen erforderlichen Membran gering gehalten sein.The measuring device can be arranged in a known manner in a micromechanical sensor. To produce the measuring device, the production methods used so far can be sufficient. Deviations of the conductivities of the resistors can be compensated by means of the measuring bridge against each other, so that they do not enter into the determination. Manufacturing costs for the measuring device can be kept low due to the only one required membrane.

Die Messeinrichtung kann in unterschiedlichen Varianten ausgeführt sein.The measuring device can be designed in different variants.

In einer ersten Variante sind von den Widerständen der Wheatstone-Messbrücke zwei auf der Membran und die anderen auf der Struktur bzw. dem Festland des Chips angeordnet. Die beiden Ausdrücke Festland des Chips und auf der Struktur werden im Folgenden synonym verwendet. Dabei sind die Widerstände auf der Membran thermisch voneinander isoliert bzw. so angebracht, dass sie thermisch sich gegenseitig minimal beeinflussen und die Leitwerte der Widerstände sind unterschiedlich groß und jeweils von der Temperatur des zugeordneten Widerstands abhängig. Dadurch kann die Gaskonzentration auf der Basis einer Messspannung bestimmt werden, die auf eine Steigung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids gegenüber der Temperatur hinweist. Wie eingangs beschrieben wurde, ist diese Steigung für unterschiedliche Gase unterschiedlich, insbesondere können Wasserstoff und Wasserdampf unterschiedliche Steigungen besitzen. Die Steigung hat üblicherweise auch eine Abhängigkeit von der Konzentration von Gasen in dem Fluid. So kann auf der Basis der Brückenspannung die Konzentration des Gases, beispielsweise die Wasserstoffkonzentration, bestimmt und von einer beispielsweise durch Wasserdampf bedingten Wärmeleitfähigkeit unterschieden werden.In a first variant of the resistors of the Wheatstone bridge two on the membrane and the other on the structure or the mainland of the chip are arranged. The two terms mainland of the chip and on the structure are used synonymously below. The resistances on the membrane are thermal isolated or mounted so that they thermally influence each other minimally and the conductivities of the resistors are different in size and each dependent on the temperature of the associated resistance. Thereby, the gas concentration can be determined on the basis of a measurement voltage indicative of an increase in the thermal conductivity of the fluid relative to the temperature. As described above, this slope is different for different gases, in particular hydrogen and water vapor may have different slopes. The slope also usually has a dependence on the concentration of gases in the fluid. Thus, on the basis of the bridge voltage, the concentration of the gas, for example, the hydrogen concentration, determined and distinguished from, for example, caused by water vapor thermal conductivity.

In dieser Variante kann eine Änderung der Fluidtemperatur nicht zu einer Veränderung der Messspannung führen, wenn die vier Widerstände der Wheatstone-Messbrücke gleiche Temperaturkoeffizienten aufweisen. Für die Durchführung einer Messung ist lediglich eine einzige Messspannung an der Messbrücke erforderlich. Bei konstanter Gasbeaufschlagung kann die Messspannung unverändert bleiben.In this variant, a change in the fluid temperature can not lead to a change in the measuring voltage when the four resistors of the Wheatstone bridge have the same temperature coefficient. To carry out a measurement, only a single measuring voltage is required at the measuring bridge. With constant gas admission, the measuring voltage can remain unchanged.

In einer zweiten Variante sind von den Widerständen der Wheatstone-Messbrücke einer auf der Membran und die anderen auf der Struktur angeordnet. Ein auf der Struktur liegender Widerstand, der in der Messbrücke zu dem auf der Membran liegenden Widerstand korrespondiert, ist hauptsächlich kapazitiv und die anderen Widerstände der Messbrücke sind hauptsächlich resistiv ausgeführt. Die Messbrücke kann mittels einer Wechselspannung betrieben werden, deren Frequenz zum Abgleichen der Messbrücke variiert werden kann.In a second variant, one of the resistors of the Wheatstone measuring bridge is arranged on the membrane and the others on the structure. A resistor lying on the structure, which corresponds in the measuring bridge to the resistance on the membrane, is mainly capacitive and the other resistors of the measuring bridge are mainly resistive. The measuring bridge can be operated by means of an alternating voltage whose frequency can be varied to equalize the measuring bridge.

Der Leitwert des hauptsächlich kapazitiv ausgeführten Widerstands kann durch Verändern der Frequenz der Wechselspannung beeinflusst werden. Der Leitwert der restlichen drei Widerstände wird dadurch nicht beeinflusst. Somit ist es möglich, die Messbrücke mit unterschiedlichen Heizleistungen und dadurch bei unterschiedlichen Übertemperaturen zu betreiben und abzugleichen, indem die Frequenz der Wechselspannung entsprechend eingestellt wird. Dadurch können unterschiedliche Übertemperaturen des Fluids bewirkt werden, die zur Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Gasen, beispielsweise Wasserstoff und Wasserdampf, erforderlich sind. Die Messeinrichtung umfasst dabei bevorzugt nur eine einzige Membran. Der vorwiegend kapazitiv ausgeführte Widerstand kann technologisch an der mikromechanischen Messeinrichtung beispielsweise durch parallele Metallebenen nach Art eines Plattenkondensators oder mittels Interdigitalstrukturen und geeignetem Dielektrikum umgesetzt werden. Hierfür erforderliche Prozessschritte können bereits bekannt und erprobt sein.The conductance of the main capacitive resistor can be affected by changing the frequency of the AC voltage. The conductance of the remaining three resistors is not influenced by this. Thus, it is possible to operate and balance the measuring bridge with different heating powers and thereby at different overtemperatures by the frequency of the AC voltage is adjusted accordingly. As a result, different excess temperatures of the fluid can be effected, which are required to distinguish between different gases, for example hydrogen and water vapor. The measuring device preferably comprises only a single membrane. The predominantly capacitively embodied resistor can be implemented technologically on the micromechanical measuring device, for example, by parallel metal planes in the manner of a plate capacitor or by means of interdigital structures and a suitable dielectric. For this required process steps may already be known and tested.

In einer dritten Variante sind von den Widerständen der Wheatstone-Messbrücke einer auf der Membran und die anderen auf der Struktur angeordnet. Zusätzlich ist eine weitere Wheatstone-Messbrücke mit vier Widerständen vorgesehen, von denen einer auf der Membran und die anderen auf der Struktur angeordnet sind. In a third variant, one of the resistors of the Wheatstone measuring bridge is arranged on the membrane and the others on the structure. In addition, a further Wheatstone bridge is provided with four resistors, one of which is arranged on the membrane and the other on the structure.

Leitwerte der Widerstände auf der Membran sind unterschiedlich groß und jeweils von der Temperatur des zugeordneten Widerstands abhängig. Dadurch kann die Gaskonzentration auf der Basis einer ersten Messspannung der Messbrücke bei einer ersten Heizspannung an der Messbrücke und einer zweiten Messspannung der weiteren Messbrücke bei einer zweiten Heizspannung an der weiteren Messbrücke bestimmt werden. Anders ausgedrückt werden die Wheatstone-Messbrücken bevorzugterweise nacheinander verwendet, indem die jeweilige Heizspannung eingeschaltet wird. Die Heizspannungen können einander entsprechen, sodass mittels der unterschiedlich groß dimensionierten Widerstände auf der Membran unterschiedliche Temperaturen erzeugt werden. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeit und deren Temperaturabhängigkeit von unterschiedlichen Gasen im Fluid, insbesondere von Wasserstoff und Wasserdampf, kann über diese beiden Messungen eine Unterscheidung zwischen den Einflussgrößen möglich sein. Durch den sequentiellen Betrieb der beiden Messbrücken kann die gegenseitige thermische Beeinflussung der auf der Membran angebrachten Widerstände minimiert sein. Diese Widerstände können daher auf der Membran nahe aneinander liegen, sodass die Membran im Vergleich zu einer bekannten mikromechanischen Messeinrichtung nicht vergrößert werden muss. Eine Veränderung der Fluidtemperatur kann bei dieser Variante ebenfalls nicht zu einer Verstimmung der Messbrücke und damit einer Veränderung der Messspannung führen, wenn alle Widerstände gleich groß sind bzw. zumindest in erster Näherung eine gleiche Abhängigkeit ihres Leitwerts von einer Temperatur zeigen. Generell können zur Optimierung die Widerstände auf dem Festland in geeigneter Weise möglichst klein gewählt werden, um die Leistungsaufnahme zu minimieren. Conductances of the resistors on the membrane vary in size and in each case depend on the temperature of the associated resistor. As a result, the gas concentration can be determined on the basis of a first measuring voltage of the measuring bridge at a first heating voltage at the measuring bridge and a second measuring voltage of the further measuring bridge at a second heating voltage at the further measuring bridge. In other words, the Wheatstone gauges are preferably used in succession by switching on the respective heating voltage. The heating voltages may correspond to each other, so that different temperatures are generated by means of different sized resistors on the membrane. Due to the different thermal conductivity and their temperature dependence of different gases in the fluid, in particular of hydrogen and water vapor, a distinction between the influencing variables can be possible via these two measurements. Due to the sequential operation of the two measuring bridges, the mutual thermal influence of the resistors mounted on the membrane can be minimized. These resistors can therefore be close to each other on the membrane, so that the membrane does not have to be enlarged in comparison to a known micromechanical measuring device. A change in the fluid temperature in this variant also does not lead to a detuning of the measuring bridge and thus a change in the measuring voltage when all resistors are the same size or show at least in the first approximation, an equal dependence of their conductance of a temperature. In general, the resistors on the mainland can be suitably chosen as small as possible in order to minimize power consumption.

Umfasst das Fluid zusätzlich Luft oder ein anderes Gas mit einer nichtlinearen thermischen Leitfähigkeit, wobei nicht bekannt ist, wie groß der Einfluss des Gases auf die kalorimetrische Bestimmung ist, so kann die beschriebene Nichtlinearität bestimmt und auf der Basis einer seitens der Struktur bestimmten Temperatur kompensiert bzw. rechnerisch aus der Messspannung entfernt werden. Zur Messung der Umgebungstemperatur kann ein weiterer Widerstand auf der Struktur angebracht sein und aus einer resistiven Messung und der Kenntnis eines Temperaturkoeffizienten dieses Widerstands kann die Temperatur bestimmt werden.If the fluid additionally comprises air or another gas with a non-linear thermal conductivity, it is not known how great the influence of the gas is on the calorimetric determination, then the described non-linearity can be determined and compensated on the basis of a temperature determined by the structure are mathematically removed from the measurement voltage. To measure the ambient temperature can be another resistance be mounted on the structure and from a resistive measurement and the knowledge of a temperature coefficient of this resistance, the temperature can be determined.

Zumindest einige dieser Varianten erfordern eine genaue Bestimmung der Messspannung in einem sehr großen Bereich. Es ist daher bevorzugt, dass ein Verstärker zur Verstärkung der Messspannung vorgesehen ist, wobei ein Verstärkungsfaktor des Verstärkers von der bestimmten Temperatur abhängig ist. Der Verstärkungsfaktor kann analog oder digital durch die bestimmte Temperatur beeinflusst werden.At least some of these variants require an accurate determination of the measurement voltage in a very wide range. It is therefore preferred that an amplifier is provided for amplifying the measurement voltage, wherein a gain of the amplifier depends on the particular temperature. The amplification factor can be influenced analogue or digitally by the specific temperature.

Ein Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen einer Gaskonzentration in einem Fluid umfasst Schritte des Bestimmens einer ersten Wärmeleitfähigkeit des Fluids bei einer ersten Temperatur, des Bestimmens einer zweiten Wärmeleitfähigkeit des Fluids bei einer zweiten Temperatur und des Bestimmens der Gaskonzentration auf der Basis der Wärmeleitfähigkeiten derart, dass die Wärmeleitfähigkeit eines weiteren Gases, das im Fluid enthalten sein kann, kompensiert wird.A method for calorimetrically determining a gas concentration in a fluid includes steps of determining a first thermal conductivity of the fluid at a first temperature, determining a second thermal conductivity of the fluid at a second temperature, and determining the gas concentration based on the thermal conductivities such that the thermal conductivity another gas which may be contained in the fluid is compensated.

Varianten dieses Verfahrens sind oben mit Bezug auf die Varianten der Messeinrichtung genauer beschrieben. Weitere Ausführungen finden sich unten mit Bezug auf die beigefügten Figuren.Variants of this method are described in more detail above with reference to the variants of the measuring device. Further embodiments can be found below with reference to the accompanying figures.

Es ist bevorzugt, dass die Wärmeleitfähigkeit kalorimetrisch mittels eines thermisch mit dem Fluid gekoppelten Widerstands bestimmt wird, durch den ein Stromfluss zum Erwärmen des Fluids bewirkt wird und dessen Temperatur auf der Basis seines Leitwerts bestimmt wird, um die Wärmeleitfähigkeit auf der Basis der Temperatur und des Stromflusses zu bestimmen.It is preferred that the thermal conductivity is determined calorimetrically by means of a resistance thermally coupled to the fluid, which causes a flow of current to heat the fluid and whose temperature is determined on the basis of its conductance to determine the thermal conductivity on the basis of the temperature and temperature To determine current flow.

Allgemein ist bevorzugt, dass eine Temperatur des unerwärmten Fluids bestimmt und beim Bestimmen der Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt wird. Diese Temperatur kann insbesondere im Bereich der oben erwähnten Struktur bestimmt werden, insbesondere mittels der beschriebenen widerstandsbasierten Messung.Generally, it is preferred that a temperature of the unheated fluid be determined and taken into account in determining the thermal conductivity. This temperature can be determined in particular in the range of the above-mentioned structure, in particular by means of the described resistance-based measurement.

In einer Variante umfasst der Stromfluss einen Wechselstrom. Eine Heizleistung eines vorwiegend kapazitiv ausgeführten Widerstands der Messbrücke kann durch eine Veränderung der Frequenz des Wechselstroms beeinflusst werden.In one variant, the current flow comprises an alternating current. A heating power of a predominantly capacitively designed resistance of the measuring bridge can be influenced by a change in the frequency of the alternating current.

In einer weiteren Ausführungsform ist der oben erwähnte Widerstand auf der Membran Teil eines Schwingkreises, wobei die Temperatur des Widerstands auf der Basis einer Frequenz des Schwingkreises bestimmt wird. Diese Bestimmung kann auch mittels des auf der Struktur angebrachten Widerstands zur Bestimmung der Umgebungstemperatur bzw. Fluidtemperatur verwendet bzw. kompensiert werden. In a further embodiment, the above-mentioned resistance on the diaphragm is part of a resonant circuit, the temperature of the resistor being determined on the basis of a frequency of the resonant circuit. This determination can also be used or compensated for by means of the resistor mounted on the structure for determining the ambient temperature or fluid temperature.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, in which:

1 eine Messeinrichtung; 1 a measuring device;

2 qualitative Abhängigkeiten von Wärmeleitfähigkeiten unterschiedlicher Gase jeweils von einer Temperatur; 2 qualitative dependencies of thermal conductivities of different gases, each of a temperature;

3 eine Messeinrichtung in einer ersten Variante; 3 a measuring device in a first variant;

4 eine Messeinrichtung in einer zweiten Variante; 4 a measuring device in a second variant;

5 eine Messeinrichtung in einer dritten Variante; und 5 a measuring device in a third variant; and

6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Gaskonzentration
darstellt. 6 a flow chart of a method for determining a gas concentration
represents.

1 zeigt eine Messeinrichtung 100 zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Fluid. Die Messeinrichtung 100 kann beispielsweise zur Bestimmung einer Konzentration von Wasserstoff im Bereich einer Brennstoffzelle verwendet werden. Dabei kann das Fluid insbesondere eine Mischung aus Luft, Wasserstoff und gegebenenfalls auch Wasserdampf umfassen. Die Messeinrichtung 100 kann zum Aufbau eines Sicherheitssensors an Bord eines Kraftfahrzeugs dienen, das mittels der Brennstoffzelle oder mittels eines Wasserstoff verbrennenden Antriebsmotors angetrieben werden kann. In anderen Ausführungsformen kann durch die Messeinrichtung 100 auch eine allgemeine Gasdetektion ermöglicht sein, beispielsweise an einem Benzin- oder Dieselmotor. Losgelöst von einem Kraftfahrzeug kann die Messeinrichtung 100 für allgemeine Gas-analytische Aufgabenstellungen verwendet werden, etwa für die Gas-Chromatographie. 1 shows a measuring device 100 for the calorimetric determination of a gas concentration in a fluid. The measuring device 100 For example, it can be used to determine a concentration of hydrogen in the area of a fuel cell. In this case, the fluid may in particular comprise a mixture of air, hydrogen and optionally also water vapor. The measuring device 100 may be used to build a safety sensor on board a motor vehicle that can be powered by the fuel cell or by means of a hydrogen-burning drive motor. In other embodiments, by the measuring device 100 also allows a general gas detection, for example on a gasoline or diesel engine. Detached from a motor vehicle, the measuring device 100 be used for general gas-analytical tasks, such as for gas chromatography.

In einem oberen Bereich von 1 ist eine Seitenansicht der Messeinrichtung 100 und im unteren Bereich eine Draufsicht dargestellt. Außerdem sind im unteren Bereich zusätzliche Elemente dargestellt, die Messeinrichtung 100 zu einem Messsystem 105 komplettieren. In an upper area of 1 is a side view of the measuring device 100 and at the bottom of a plan view shown. In addition, additional elements are shown in the lower area, the measuring device 100 to a measuring system 105 complete.

Die Messeinrichtung 100 ist bevorzugterweise als mikromechanisches Bauelement ausgeführt und umfasst eine Struktur 110 mit einer Kavität 115, die mittels einer Membran 120 abgedeckt ist. Die Struktur 110 kann insbesondere Silicium und die Membran 120 beispielsweise Siliciumdioxid (SiO₂) umfassen. Eine Wärmeleitfähigkeit der Membran 120 ist möglichst gering gehalten, sodass die Membran 120 und alle auf ihr angebrachten Strukturen thermisch möglichst gut von der Struktur 110 getrennt sind. Die Membran 120 ist dazu eingerichtet, einem Fluid 125 ausgesetzt oder wenigstens mit ihm thermisch gekoppelt zu werden. Das Fluid 125 kann dabei in einem Massenstrom vorliegen, wie durch den Pfeil in 1 angedeutet ist. Die Gasführung kann dabei sowohl von der Vorderseite (VS) als auch von der Rückseite (RS) erfolgen.The measuring device 100 is preferably designed as a micromechanical component and comprises a structure 110 with a cavity 115 by means of a membrane 120 is covered. The structure 110 In particular, silicon and the membrane 120 For example, silica (SiO ₂ ) include. A thermal conductivity of the membrane 120 is kept as low as possible, so that the membrane 120 and all structures attached to it thermally as well as possible from the structure 110 are separated. The membrane 120 is designed to be a fluid 125 be exposed or at least thermally coupled with him. The fluid 125 can be present in a mass flow, as indicated by the arrow in 1 is indicated. The gas guide can be done both from the front (VS) and from the back (RS).

An der Struktur 110 und der Membran 120 sind unterschiedliche Widerstände 130 angebracht. Alle hier behandelten Strukturen können prinzipiell an der Vorderseite oder der Rückseite der Membran 120 angebracht werden; exemplarisch wird hier von einer vorderseitigen Anbringung ausgegangen. Vier Widerstände 130 bilden eine bekannte Wheatstone-Messbrücke 135. Die vier Widerstände 130 der Messbrücke 135 sind, falls nicht anders angegeben, bevorzugterweise mit gleichen Leitwerten und weiter bevorzugt mit gleichen Temperaturkoeffizienten ausgestattet. Generell ist es zu bevorzugen, dass Widerstände 130(a) und 130(b) paarweise gleich gewählt werden. Des Weiteren kann in einer Ausführung das Widerstandspaar 130(b) möglichst niederohmig gewählt werden, um die Leistungsaufnahme der Wheatstone Brücke zu minimieren. At the structure 110 and the membrane 120 are different resistances 130 appropriate. All structures discussed here can in principle be at the front or the back of the membrane 120 be attached; By way of example, a front attachment is assumed here. Four resistors 130 form a well-known Wheatstone bridge 135 , The four resistors 130 the measuring bridge 135 are, unless stated otherwise, preferably equipped with the same guide values and more preferably with the same temperature coefficient. Generally, it is preferable that resistors 130 (a) and 130 (b) be chosen in pairs equal. Furthermore, in one embodiment, the resistor pair 130 (b) as low as possible to minimize the power consumption of the Wheatstone bridge.

Die Widerstände 130 können insbesondere als Metallfilm-Widerstände, bevorzugterweise unter Einsatz von Platin, hergestellt sein. Wenigstens einer der Widerstände 130 der Messbrücke 135 liegt auf der Membran 120 der Messeinrichtung 100. Die Widerstände 130 der Messbrücke 135 sind bevorzugterweise so verschaltet, dass eine Heizspannung 140 an die Messbrücke 135 angelegt werden kann und eine Messspannung 145 von ihr abgegriffen werden kann.The resistors 130 may in particular be produced as metal film resistors, preferably using platinum. At least one of the resistors 130 the measuring bridge 135 lies on the membrane 120 the measuring device 100 , The resistors 130 the measuring bridge 135 are preferably connected so that a heating voltage 140 to the measuring bridge 135 can be created and a measurement voltage 145 can be tapped from her.

Das Messsystem 105 umfasst zusätzlich zur Messeinrichtung 100 bevorzugterweise einen Heizspannungsgenerator 150 zur Bereitstellung der Heizspannung 140 und weiter bevorzugt einen Messspannungsauswerter 155 zur Auswertung der Messspannung 145. Der Messspannungsauswerter 155 kann einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor umfassen. In einer Ausführungsform umfasst der Messspannungsauswerter 155 einen Analog-Digital-Wandler, um eine digitale Auswertung zu ermöglichen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Widerstand 130(a) auf der Struktur durch eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer Spule realisiert werden. Die Resonanzeigenschaften des so gebildeten Schwingkreises wird sich Abhängigkeit des Leitwerts des Widerstands 130(a) auf der Membran ändern. Hierbei könnten in einer noch weiteren Ausführung die Widerstände 130(b) auch weggelassen werden.The measuring system 105 includes in addition to the measuring device 100 preferably a heating voltage generator 150 to provide the heating voltage 140 and more preferably a Meßspannungsauswerter 155 for evaluation of the measuring voltage 145 , The measuring voltage evaluator 155 may include an amplifier with adjustable gain. In one embodiment, the measuring voltage evaluator comprises 155 an analog-to-digital converter to enable digital evaluation. In yet another embodiment, the resistor 130 (a) be realized on the structure by a parallel connection of a capacitor and a coil. The resonant properties of the resonant circuit thus formed will depend on the conductance of the resistor 130 (a) change on the membrane. In this case, in a still further embodiment, the resistors 130 (b) also be omitted.

In einer Ausführungsform umfasst der Messspannungsauswerter 155 einen Schwingkreis, dessen Schwingfrequenz von der Messspannung 145 abhängig ist. Die Schwingfrequenz bzw. eine Periodendauer der Schwingung kann digital bestimmt werden, etwa mittels eines Zählers, der mit konstanter Zählfrequenz betrieben wird und der nach einer Welle oder Halbwelle der Schwingung angehalten wird. In one embodiment, the measuring voltage evaluator comprises 155 a resonant circuit whose oscillation frequency of the measuring voltage 145 is dependent. The oscillation frequency or a period of the oscillation can be determined digitally, for example by means of a counter which is operated at a constant counting frequency and which is stopped after a wave or half-wave of the oscillation.

Weiter bevorzugt ist eine Verarbeitungseinrichtung 160 vorgesehen, um auf der Basis der Messspannung 145 die Konzentration eines vorbestimmten Gases im Fluid 125 zu bestimmen. Dazu ist die Verarbeitungseinrichtung 160 bevorzugterweise mit dem Heizspannungsgenerator 150 verbunden, um einen Hinweis auf eine verwendete Heizleistung an einem der Widerstände 130 zu erhalten, und weiter bevorzugt mit einem unabhängig von der Messbrücke 135 an der Struktur 110 angebrachten Widerstand 130 zur Temperaturbestimmung einer Umgebung bzw. des unerhitzten Fluids 125. Ein Bestimmungsergebnis kann die Verarbeitungseinrichtung 160 über eine Schnittstelle 165 bereitstellen.Further preferred is a processing device 160 provided on the basis of the measuring voltage 145 the concentration of a predetermined gas in the fluid 125 to determine. This is the processing device 160 preferably with the heating voltage generator 150 connected to an indication of a used heating power at one of the resistors 130 to obtain, and more preferably with an independent of the measuring bridge 135 at the structure 110 attached resistance 130 for temperature determination of an environment or the unheated fluid 125 , A determination result may be the processing device 160 via an interface 165 provide.

Die Komponenten 150 bis 160 können jeweils in Analogtechnik, in Digitaltechnik oder in Mischtechnik ausgeführt sein. Es ist besonders bevorzugt, dass eine dedizierte Halbleiterschaltung vorgesehen ist, um wenigstens einige der Elemente 150 bis 160 aufzunehmen. Diese Schaltung kann beispielsweise mittels Bonddrähten mit der Messeinrichtung 100 verbunden werden. Das gesamte Messsystem 105 kann in einem einzigen Gehäuse angeordnet sein.The components 150 to 160 can each be implemented in analog technology, in digital technology or in mixed technology. It is particularly preferred that a dedicated semiconductor circuit is provided to at least some of the elements 150 to 160 take. This circuit can, for example, by means of bonding wires with the measuring device 100 get connected. The entire measuring system 105 can be arranged in a single housing.

Eine Bestimmung der Konzentration eines vorbestimmten Gases im Fluid 125 umfasst ein Erwärmen des Fluids 125 im Bereich der Membran 120 durch einen Stromfluss durch einen der dort befindlichen Widerstände 130. Je größer der Wärmeleitwert des Fluids 125 ist, desto weniger stark wird das Fluid 125 im Bereich des Heizwiderstands 130 erwärmt. Der Widerstand 130 hat einen elektrischen Leitwert, der von der Temperatur des Widerstands 130 abhängt. Der Leitwert, und somit die Temperatur, des Widerstands 130 kann auf der Basis von Strom und Spannung am Widerstand 130 bestimmt werden. A determination of the concentration of a predetermined gas in the fluid 125 includes heating the fluid 125 in the area of the membrane 120 by a current flow through one of the resistors located there 130 , The greater the thermal conductivity of the fluid 125 is, the less strong the fluid becomes 125 in the area of the heating resistor 130 heated. The resistance 130 has an electrical conductivity that depends on the temperature of the resistor 130 depends. The conductance, and thus the temperature, of the resistance 130 can be based on current and voltage at the resistor 130 be determined.

Umfasst das Fluid 125 ein Gemisch aus wenigstens zwei Gasen mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten, so kann die Konzentration des einen Gases in dem anderen nicht durch eine einzige Wärmeleitmessung des Fluids 125 bestimmt werden. Üblicherweise haben die Gase im Fluid 125 jedoch nicht nur unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, sondern diese sind auch üblicherweise in unterschiedlicher Weise von einer Temperatur des jeweiligen Gases abhängig. 2 zeigt qualitative Abhängigkeiten von Wärmeleitfähigkeiten unterschiedlicher Gase jeweils von einer Temperatur. Dabei sind exemplarisch eine erste Kennlinie 205 für Wasserstoff und eine Schar zweiter Kennlinien 210 für Wasserdampf qualitativ dargestellt. In horizontaler Richtung ist eine Temperatur und in vertikaler Richtung eine Wärmeleitfähigkeit angetragen.Includes the fluid 125 a mixture of at least two gases with different thermal conductivities, so the concentration of one gas in the other not by a single Wärmeleitmessung of the fluid 125 be determined. Usually, the gases in the fluid 125 However, not only different thermal conductivities, but these are also usually in different ways by a temperature of the respective gas dependent. 2 shows qualitative dependencies of thermal conductivities of different gases each of a temperature. Here are exemplary a first characteristic 205 for hydrogen and a bevy of second characteristics 210 qualitatively represented for water vapor. In the horizontal direction, a temperature and in the vertical direction, a heat conductivity is applied.

Die einzelnen zweiten Kennlinien 210 beziehen sich jeweils auf eine vorbestimmte Konzentration von Wasserdampf im exemplarisch gewählten Vergleichsmedium Luft. Es ist zu sehen, dass sowohl die absolute Wärmeleitfähigkeit von Wasserdampf als auch der Grad seiner Temperaturabhängigkeit von der absoluten Temperatur des Fluids 125 abhängig sind. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff liegt in jedem Fall über der von Wasserdampf, typischerweise um einen Faktor von annähernd 10. Es ist zu beachten, dass 2 in dieser Hinsicht nicht maßstabsgetreu ist.The individual second characteristics 210 each refer to a predetermined concentration of water vapor in the exemplified comparison medium air. It can be seen that both the absolute thermal conductivity of water vapor and the degree of its temperature dependence on the absolute temperature of the fluid 125 are dependent. In any case, the thermal conductivity of hydrogen is above that of water vapor, typically by a factor of approximately 10. It should be noted that 2 not to scale in this regard.

Die Anordnung mehrerer Widerstände 130 auf der Membran 120 kann aufwendig sein. Im Folgenden werden daher drei unterschiedliche Varianten für eine Messeinrichtung 100 entsprechend der von 1 vorgeschlagen, die jeweils eine Wheatstone-Messbrücke 135 mit vier Widerständen 130 verwenden, von denen wenigstens einer auf der Membran 120 liegt. Mit den unterschiedlichen Varianten können auch unterschiedliche Messverfahren verbunden sein, die im Zusammenhang mit der jeweiligen Variante der Messeinrichtung 100 genauer erläutert werden. The arrangement of several resistors 130 on the membrane 120 can be expensive. In the following, therefore, three different variants for a measuring device 100 according to the 1 each proposed a Wheatstone bridge 135 with four resistors 130 use, at least one of which on the membrane 120 lies. With the different variants and different measurement methods can be connected, in connection with the respective variant of the measuring device 100 be explained in more detail.

3 zeigt eine Messeinrichtung 100 in einer ersten Variante. Dargestellt sind lediglich die vier Widerstände 130 der Wheatstone-Messbrücke 135. Die Widerstände 130 sind im Einzelnen mit R1 bis R4 bezeichnet. R1 und R4 liegen auf der Struktur 110, während R2 und R3, thermisch voneinander isoliert, auf der Membran 120 liegen. Leitwerte von R2 und R3 sind unterschiedlich, sodass sich an den Widerständen R2 und R3 unterschiedliche Temperaturen einstellen, wenn die Heizspannung 140 angelegt wird. Die Messspannung 145 reflektiert daher die Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 bei unterschiedlichen Temperaturen. Insbesondere ist die Messspannung 145 proportional zur Steigung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 gegenüber der Temperatur (vgl. 2). Auf der Basis dieser Steigung kann nicht nur zwischen unterschiedlichen Gasen unterschieden werden, vielmehr kann auch auf die Konzentration des einen Gases im anderen geschlossen werden. Liegt eine Kombination zweier Gase in einem dritten vor, beispielsweise Wasserstoff und Wasserdampf in Luft, so kann eine entsprechende Unterscheidung vorgenommen werden. 3 shows a measuring device 100 in a first variant. Shown are only the four resistors 130 the Wheatstone bridge 135 , The resistors 130 are designated R1 to R4 in detail. R1 and R4 are on the structure 110 while R2 and R3, thermally isolated from each other, on the membrane 120 lie. Conductivities of R2 and R3 are different, so that different resistances R2 and R3 occur when the heating voltage 140 is created. The measuring voltage 145 therefore reflects the thermal conductivity of the fluid 125 at different temperatures. In particular, the measuring voltage 145 proportional to the slope of the thermal conductivity of the fluid 125 opposite to the temperature (cf. 2 ). On the basis of this slope, it is not only possible to distinguish between different gases, but it is also possible to deduce the concentration of one gas in the other. If there is a combination of two gases in a third, for example hydrogen and water vapor in air, a corresponding distinction can be made.

Da die Widerstände R1 und R4 auf der Struktur 110 und die Widerstände R2 und R3 auf der Membran 120 unterschiedliche effektive Temperaturkoeffizienten aufweisen, sollte die Heizspannung 140 bei konstanter Gasbeaufschlagung konstant gehalten werden, um eine Verstimmung der Messbrücke 135 zu vermeiden.Since the resistors R1 and R4 on the structure 110 and the resistors R2 and R3 on the membrane 120 have different effective temperature coefficients, the heating voltage should be 140 be kept constant at constant gas loading to a detuning of the measuring bridge 135 to avoid.

4 zeigt eine Messeinrichtung 100 in einer zweiten Variante; Bezeichnungen von Elementen sind an die Variante von 3 angelehnt. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich nur R2 auf der Membran 120, die anderen Widerstände 130 sind auf der Struktur 110 angeordnet. Dabei ist R3 als vorwiegend kapazitiver Widerstand ausgeprägt und wird vorliegend mit C3 bezeichnet. C3 kann vollständig als Kondensator ausgeführt sein, beispielsweise mittels planparalleler Metalllagen an der Struktur 110, aber auch eine Ausführung etwa mittels Interdigitalstrukturen ist möglich. Der Leitwert von C3 ist dabei abhängig von der Frequenz einer Wechselspannung, die als Heizspannung 140 verwendet wird. Je höher die Frequenz ist, desto größer ist der Leitwert von C3. R1, R2 und R4 sind hingegen vorwiegend resistiv ausgeführt, insbesondere als Platinstrukturen, sodass ihre Leitwerte von der Frequenz der Heizspannung 140 praktisch unbeeinflusst sind. Somit ist es möglich, die Messbrücke 135 bei unterschiedlichen Temperaturen zu betreiben und abzugleichen, indem die Frequenz der Heizspannung 140 entsprechend eingestellt wird. Auf einfache Weise können auch mehr als zwei Temperaturen der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 zugrunde gelegt werden, indem entsprechend viele Heizspannungen 140 unterschiedlicher Frequenzen an die Messbrücke 135 angelegt werden. Die resultierenden Messspannungen 145 bilden ein charakteristisches Muster, aus dem auf die Konzentration eines vorbestimmten Gases im Fluid 125 rückgeschlossen werden kann (vgl. 2). 4 shows a measuring device 100 in a second variant; Names of elements are connected to the variant of 3 ajar. In the present embodiment, only R2 is on the membrane 120 , the other resistances 130 are on the structure 110 arranged. In this case, R3 is pronounced as a predominantly capacitive resistance and is referred to herein as C3. C3 can be made entirely as a capacitor, for example by means of plane-parallel metal layers on the structure 110 , but also an execution about using interdigital structures is possible. The conductance of C3 is dependent on the frequency of an alternating voltage, which is called the heating voltage 140 is used. The higher the frequency, the larger the conductance of C3. By contrast, R1, R2 and R4 are predominantly resistive, in particular as platinum structures, so that their conductance values depend on the frequency of the heating voltage 140 are virtually unaffected. Thus it is possible to use the measuring bridge 135 operate at different temperatures and adjust by the frequency of the heating voltage 140 is adjusted accordingly. In a simple way, more than two temperatures can be used to determine the thermal conductivity of the fluid 125 be based on, by correspondingly many heating voltages 140 different frequencies to the measuring bridge 135 be created. The resulting measuring voltages 145 form a characteristic pattern from which the concentration of a predetermined gas in the fluid 125 can be deduced (cf. 2 ).

5 zeigt eine Messeinrichtung 100 in einer dritten Variante, wobei Bezeichnungen wieder an die vorgenannten Ausführungsbeispiele angelehnt sind. 5 shows a measuring device 100 in a third variant, wherein designations are again based on the aforementioned embodiments.

Die dargestellte Messeinrichtung 100 umfasst zwei Wheatstone-Messbrücken 135 und 135‘. Die erste Messbrücke 135 umfasst Widerstände R1 bis R4 und die zweite Messbrücke 135‘ die Widerstände R1‘ bis R4‘. Die Widerstände R2 und R1‘ liegen auf der Membran 120, die restlichen Widerstände 130 auf der Struktur 110. In dieser Ausführungsform werden die Messbrücken 135 und 135‘ alternierend, also nacheinander betrieben. Dazu wird entweder die Heizspannung 140 oder die Heizspannung 140‘ eingeschaltet. Die Widerstände R2 und R1‘ weisen unterschiedliche Leitwerte auf, sodass eine Temperatur des Fluids 125 im Bereich der Membran 120 bei Betrieb der beiden Messbrücken 135, 135‘ unterschiedlich ist. Die Heizspannung 140 sollte hierbei konstant gehalten werden, um eine Verstimmung der Messbrücken 135, 135‘ aufgrund unterschiedlicher effektiver Temperaturkoeffizienten der auf der Membran 120 und der auf der Struktur 110 angebrachten Widerstände 130 zu vermeiden. So erwärmen sich die Widerstände R2 und R1‘ auf der Membran 120 wegen des geringeren Wärmeabflusses üblicherweise stärker als die Widerstände R1, R3, R4, R2‘, R3‘ und R4‘. Eine Veränderung der Heizspannung 140 sollte aber nicht mehr notwendig sein, da durch die Realisierung von zwei unterschiedlichen Heizern R2 und R1‘ auf der Membran 120 die Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 bereits bei zwei unterschiedlichen Temperaturen gemessen werden kann.The illustrated measuring device 100 includes two Wheatstone bridges 135 and 135 ' , The first measuring bridge 135 includes resistors R1 to R4 and the second bridge 135 ' the resistors R1 'to R4'. The resistors R2 and R1 'are on the membrane 120 , the remaining resistances 130 on the structure 110 , In this embodiment, the measuring bridges 135 and 135 ' alternating, so operated sequentially. This is either the heating voltage 140 or the heating voltage 140 ' switched on. The resistors R2 and R1 'have different conductivities, so that a temperature of the fluid 125 in the area of the membrane 120 during operation of the two measuring bridges 135 . 135 ' is different. The heating voltage 140 should be kept constant to avoid detuning the measuring bridges 135 . 135 ' due to different effective temperature coefficients on the membrane 120 and the one on the structure 110 attached resistors 130 to avoid. This heats the resistors R2 and R1 'on the membrane 120 because of the lower heat dissipation usually stronger than the resistors R1, R3, R4, R2 ', R3' and R4 '. A change in the heating voltage 140 but should not be necessary anymore, because by the realization of two different heaters R2 and R1 'on the membrane 120 the thermal conductivity of the fluid 125 can already be measured at two different temperatures.

Da stets nur einer der Widerstände R2 und R1‘ von Strom durchflossen ist, können die Widerstände R2 und R1‘ auf der Membran 120 platzsparend nahe aneinander vorgesehen werden. Eine gegenseitige thermische Beeinflussung ist nicht zu befürchten.Since only one of the resistors R2 and R1 'is always traversed by current, the resistors R2 and R1' on the membrane 120 be provided in a space-saving close to each other. Mutual thermal influence is not to be feared.

Es ist zu beachten, dass in den drei Varianten der 3 bis 5 jeweils ein weiterer Widerstand 130 auf der Struktur 110 angeordnet sein kann, um eine Temperatur der Struktur 110 bzw. des Fluids 125 vor dem Erwärmen zu bestimmen (vgl. 1).It should be noted that in the three variants of 3 to 5 one more resistance each 130 on the structure 110 can be arranged to a temperature of the structure 110 or of the fluid 125 to be determined before heating (cf. 1 ).

6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Bestimmen einer Gaskonzentration, insbesondere mittels eines Messsystems 105 und unter Verwendung einer Messeinrichtung 100 nach einer der oben beschriebenen Varianten. Das Verfahren 600 kann an die Eigenheiten der beschriebenen, unterschiedlichen Varianten der Messeinrichtung 100 angepasst werden. Erforderliche Hinweise kann ein Fachmann den obenstehenden Ausführungen entnehmen. In exemplarischer Weise bezieht sich die dargestellte Variante des Verfahrens 600 auf die Ausführungsform der Messeinrichtung 100 von 5. 6 shows a flowchart of a method 600 for determining a gas concentration, in particular by means of a measuring system 105 and using a measuring device 100 according to one of the variants described above. The procedure 600 can adapt to the peculiarities of the described, different variants of the measuring device 100 be adjusted. Necessary information can be found in the above remarks by a person skilled in the art. By way of example, the illustrated variant of the method relates 600 to the embodiment of the measuring device 100 from 5 ,

Das Verfahren 600 beginnt in einem Schritt 605. In einem optionalen Schritt 610, der auch zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden kann, wird die Temperatur des Fluids 125 mittels eines auf der Struktur 110 der Messeinrichtung 100 angebrachten Widerstands 130 bestimmt (vgl. 1).The procedure 600 starts in one step 605 , In an optional step 610 which can also be performed at a later time, the temperature of the fluid 125 by means of one on the structure 110 the measuring device 100 attached resistance 130 determined (cf. 1 ).

In einem Schritt 615 wird optional eine im Folgenden verwendete Messbrücke 135 kalibriert, beispielsweise durch Anpassen einer Heizspannung 140 im Betrag oder Frequenz. In einem Schritt 620 wird die Messspannung 145 an die Messbrücke 135 angelegt, sodass ein Strom durch die Widerstände 130 der Messbrücke 135 bewirkt wird. In einem Schritt 625 wird die Messspannung 145 abgetastet, bevor die Heizspannung 140 wieder abgeschaltet wird. Anschließend kann in einem Schritt 630 die Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 bestimmt werden. Dazu kann die im Schritt 610 bestimmte Temperatur des Fluids 125 verwendet werden.In one step 615 is optionally a measuring bridge used in the following 135 calibrated, for example by adjusting a heating voltage 140 in amount or frequency. In one step 620 becomes the measuring voltage 145 to the measuring bridge 135 created, allowing a current through the resistors 130 the measuring bridge 135 is effected. In one step 625 becomes the measuring voltage 145 sampled before the heating voltage 140 is switched off again. Subsequently, in one step 630 the thermal conductivity of the fluid 125 be determined. This can be done in the step 610 certain temperature of the fluid 125 be used.

An der Ausführungsform der Messeinrichtung 100 von 5 werden Schritte 615‘ bis 630‘, die paarweise zu Schritten 615 bis 630 korrespondieren, anschließend durchgeführt. Es ist zu beachten, dass beispielsweise an der Variante der Messeinrichtung 100 von 3 eine parallele Ausführung entsprechender Abschnitte des Verfahrens 600 möglich ist.On the embodiment of the measuring device 100 from 5 become steps 615 ' to 630 ' in pairs to steps 615 to 630 correspond, then performed. It should be noted that, for example, on the variant of the measuring device 100 from 3 a parallel execution of corresponding sections of the method 600 is possible.

In einem Schritt 635 wird auf der Basis mehrerer bestimmter Wärmeleitfähigkeiten bzw. einer Steigung einer Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 über die Temperatur (vgl. 2) die Konzentration eines vorbestimmten Gases im Fluid 125 bestimmt.In one step 635 is based on several specific Wärmeleitfähigkeiten or a slope of thermal conductivity of the fluid 125 over the temperature (cf. 2 ) the concentration of a predetermined gas in the fluid 125 certainly.

Claims

Measuring device ( 100 ) for the calorimetric determination of a gas concentration in a fluid ( 125 ), the measuring device ( 100 ) comprises: - a structure ( 110 ) with a cavity ( 115 ); - one above the cavity ( 115 ) attached membrane ( 120 ) thermally mixed with the fluid ( 125 ) is coupled; - a resistor ( 130 ) for recording a heat output at the membrane ( 120 ); - where a conductance of the resistance ( 130 ) is dependent on its temperature; A Wheatstone bridge ( 135 ), the resistance ( 130 ), so that a measuring voltage ( 145 ) of the measuring bridge ( 135 ) on the thermal conductivity of the fluid ( 125 ) indicates; characterized in that - at least one resistor ( 130 ) of the measuring bridge ( 135 ) on a membrane ( 120 ) and this membrane ( 120 ) that of the resistance ( 130 ) is to record the heating power.

Measuring device ( 100 ) according to claim 1, wherein: - of the resistors ( 130 ) of the Wheatstone bridge ( 135 ) two on the membrane ( 120 ) and the others on the structure ( 110 ) are arranged; - where the resistances ( 130 ) on the membrane ( 120 ) are thermally isolated from each other, - wherein conductivities of the resistors ( 130 ) on the membrane ( 120 ) of different sizes and in each case by the temperature of the associated resistor ( 130 ) are dependent; - so that the gas concentration based on a measuring voltage ( 145 ) which can be determined on a slope of the thermal conductivity of the fluid ( 125 ) indicates the temperature.

Measuring device ( 100 ) according to claim 1, wherein - of the resistors ( 130 ) of the Wheatstone bridge ( 135 ) one on the membrane ( 120 ) and the others on the structure ( 110 ) are arranged; - one on the structure ( 110 ) lying resistance ( 130 ) in the bridge ( 135 ) to that on the membrane ( 120 ) resistance ( 130 ), mainly capacitive and the other resistors ( 130 ) of the measuring bridge ( 135 ) are mainly resistive, - so that the bridge ( 135 ) can be operated by means of an AC voltage whose frequency for adjusting the measuring bridge ( 135 ) can be varied.

Measuring device ( 100 ) according to claim 1, wherein: - of the resistors ( 130 ) of the Wheatstone bridge ( 135 ) one on the membrane ( 120 ) and the others on the structure ( 110 ) are arranged; - also another Wheatstone bridge ( 135 ) with four resistors ( 130 ), one of which is attached to the membrane ( 120 ) and the others on the structure ( 110 ) are arranged; - where resistances of the resistances ( 130 ) on the membrane ( 120 ) of different sizes and in each case by the temperature of the associated resistor ( 130 ) are dependent; - so that the gas concentration is based on a. a first measuring voltage ( 145 ) of the measuring bridge ( 135 ) at a first heating voltage ( 140 ) at the measuring bridge ( 135 b. and a second measuring voltage ( 145 ) of the further measuring bridge ( 135 ) at a second heating voltage ( 140 ) at the further measuring bridge ( 135 ) can be determined.

Measuring device ( 100 ) according to one of the preceding claims, further comprising an amplifier for amplifying the measuring voltage ( 145 ), wherein a gain of the amplifier depends on the particular temperature.

Procedure ( 600 ) for calorimetrically determining a gas concentration in a fluid ( 125 ), the process ( 600 ) comprises the following steps: - determining ( 630 ) a first thermal conductivity of the fluid ( 125 ) at a first temperature; - Determine ( 630 ' ) a second thermal conductivity of the fluid ( 125 ) at a second temperature; and - determining ( 635 ) the gas concentration on the basis of the thermal conductivities such that the thermal conductivity of a further gas that is in the fluid ( 125 ) can be compensated.

Procedure ( 600 ) according to claim 6, wherein the thermal conductivity is determined calorimetrically by means of a thermal with the fluid ( 125 ) coupled resistance ( 130 ), by which a current flow for heating the fluid ( 125 ) and whose temperature is determined based on its conductance to determine thermal conductivity based on temperature and current flow.

Procedure ( 600 ) according to claim 6 or 7, wherein a temperature of the unheated fluid ( 125 ) is determined and taken into account in determining the thermal conductivity.

Procedure ( 600 ) according to claim 7 or 8, wherein the current flow comprises an alternating current.

Procedure ( 600 ) according to one of claims 8 or 9, appended to claim 7, wherein the resistor ( 130 ) Is part of a resonant circuit and the temperature of the resistor ( 130 ) is determined on the basis of a frequency of the resonant circuit.