DE102022127043A1 - Driftkompensation für einen Sensor zur Messung der Konzentration eines Stoffes in einem Fluid - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) zum Messen eines Massenstroms eines Fluids und/oder einer Konzentration eines Stoffes in einem Fluid, aufweisend eine Membran (4), die sich zumindest zwischen einem ersten und einem gegenüberliegenden zweiten Substratteil (30,31) erstreckt und auf diesen angeordnet ist, eine Kammer (5), die einen Innenraum (50) zur Aufnahme des Fluids umgibt, wobei die Membran (4) in dem Innenraum angeordnet ist, ein auf der Membran (4) angeordnetes Heizelement (2) zum Heizen des Fluids mittels eines elektrischen Heizstroms I(t), eine Mehrzahl an auf der Membran (4) angeordneten Temperaturfühlern (10, 11, 12, 13), wobei der Sensor (1) dazu ausgebildet ist, mittels der Temperaturfühler (10, 11, 12, 13) ein erstes und ein zweites Messignal (TP(t), TP3(t)) zu erzeugen, wobei aus dem ersten Messignal (TP(t)) eine Temperatur der Membran (4) an einem ersten Ort und aus dem zweiten Messignal (TP3(t)) eine Temperatur der Membran (4) an einem zweiten Ort bestimmbar ist, der näher am Heizelement (2) liegt als der erste Ort. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Sensor (1) dazu konfiguriert ist, eine Signalkorrektur ΔTP3(t) für das zweite Messsignal (TP3(t)) zu berechnen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen eines Massenstromes eines Fluids und/oder einer Konzentration eines Stoffes in einem Fluid sowie ein entsprechendes Verfahren, das einen derartigen Sensor verwendet.
• Thermische Sensoren zum Messen eines Massenstromes können insbesondere auch zur Messung einer Gaskonzentration mittels Wärmeleitfähigkeitsmessung verwendet werden. Derartige Sensoren sind z.B. aus EP1426740B1 , EP2175246B1 und DE3711511 C1 bekannt. Ferner beschreibt US6838287B2 eine Wasserstoffkonzentrationsmessungen mit einem Wärmeleitfähigkeitssensor.
• Zur Messung der Fluidkonzentration kann z.B. eine brücken- oder membranartige MEMS-Struktur mittels eines Heizelements beheizt werden und die Temperatur der MEMS-Struktur gemessen werden. Die Temperatur der MEMS-Struktur kann z.B. mit Thermosäulen oder Widerstandselementen gemessen werden.
• Eine andere Möglichkeit besteht darin, die MEMS-Struktur immer auf eine konstante Temperatur zu erwärmen und die Leistung zu messen, die der Fluidkonzentration entspricht.
• Bei den zu messenden Fluidkonzentrationen kann es sich sowohl um verschiedene Gase als auch um flüssige Fluide handeln.
• Zur Messung der Membrantemperatur, die von dem mit der Membranstruktur in Kontakt stehendem Fluid abhängt, wird vorzugsweise ein Messsignal von Thermosäulen bzw. -elementen nahe des auf der Membran angeordneten Heizelements gemessen (andere Messsignale des Sensors können ebenfalls verwendet werden). Das besagte Messsignal ist daher eine Funktion der Fluidkonzentration (d. h. der Wärmeleitfähigkeit des Fluids). Das betrachtete Messignal hängt jedoch nicht nur von der Fluidkonzentration ab, sondern auch von der Wärmeleitfähigkeit des Membranmaterials, da ein Teil der Wärme im Inneren des Membranmaterials transportiert wird.
• Für eine genaue Messung sollte daher die vom Heizelement erzeugte Wärmemenge sowie die Wärmeleitfähigkeit des Membranmaterials konstant sein.
• Für eine präzise Konzentrationsmessung während der Lebensdauer eines Sensorsystems muss also das Sensorsystem nach Möglichkeit thermisch stabil sein.
• Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen Sensor bereitzustellen, der eine präzisere Messung, insbesondere Konzentrationsmessung gestattet.
• Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindungsaspekte sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.
• Gemäß Anspruch 1 wird ein Sensor zum Messen eines Massenstroms und/oder einer Konzentration eines Stoffes in einem Fluid offenbart, aufweisend:
• - eine Membran, die sich zumindest zwischen einem ersten und einem gegenüberliegenden zweiten Substratteil erstreckt und auf diesen angeordnet ist,
• - eine Kammer, die einen Innenraum zur Aufnahme des Fluids umgibt, wobei die Membran in dem Innenraum angeordnet ist,
• - ein auf der Membran angeordnetes Heizelement zum Heizen des Fluids mittels eines elektrischen Heizstroms I(t), und
• - eine Mehrzahl an auf der Membran angeordneten Temperaturfühlern, wobei der Sensor dazu ausgebildet ist, mittels der Temperaturfühler ein erstes und ein zweites Messignal zu erzeugen, wobei aus dem ersten Messignal TP eine Temperatur der Membran an einem ersten Ort bzw. Bereich und aus dem zweiten Messignal TP3 eine Temperatur der Membran an einem zweiten Ort bestimmbar ist, der näher am Heizelement liegt als der erste Ort.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Sensor eine Recheneinheit aufweist, die dazu konfiguriert ist, eine Signalkorrektur ΔTP3 für das zweite Messsignal TP3 zum Zeitpunkt t gemäß $$\mathrm{\Delta }\text{TP}3\left(\text{t}\right)=\text{TP}3\left(\text{t}=0\right)\cdot \left[A\cdot \left(1-\frac{S\left(t\right)}{S\left(t=0\right)}\right)+\text{B}\cdot \left(1-\frac{I\left(t\right)}{I\left(t=0\right)}\right)\right]$$

  

  zu berechnen, wobei $S\left(t\right)=\frac{TP\left(t\right)}{TP3\left(t\right)},$

  

  wobei A und B reellwertige Konstanten sind, und wobei t=0 ein Anfangszeitpunkt ist, z.B. der Zeitpunkt einer Inbetriebnahme oder Kalibration des Sensors, und wobei der Sensor weiterhin dazu konfiguriert ist, ein korrigiertes zweites Messsignal TP3c(t) gemäß $$\text{TP}3\text{c}\left(\text{t}\right)=\text{TP}3\left(\text{t}\right)+\mathrm{\Delta }\text{TP}3\left(\text{t}\right)$$

  

  zu berechnen.
• Besonders bevorzugt liegt A im Bereich von 1.5 bis 2. Weiterhin liegt besonders bevorzugt B im Bereich von 0,8 bis 1,2. Vorzugsweise beträgt A in etwa 1,75 und/oder B in etwa 1.
• Die vorliegende Erfindung gestattet somit in vorderster Weise eine Kompensation von Drifteffekten an einem thermischen Sensor unter Verwendung einer Kombination verschiedener Sensorsignale.
• In der Regel wird das zweite Messsignal TP3 verwendet, um die Temperatur der Membran zu messen, d.h. die Konzentration des umgebenden Fluids.
• Das zweite Messsignal TP3 tendiert jedoch in der Regel dazu, zu driften, und zwar ohne dass eine Konzentrationsänderung im zu messenden Fluid vorliegt, aufgrund des sich ändernden Heizwiderstands und der sich ändernden Wärmeleitfähigkeit des Membranmaterials. Diese Drift wird erfindungsgemäß durch eine geeignete Messsignalkorrektur kompensiert.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor zumindest einen ersten und einen zweiten auf der Membran angeordneten Temperaturfühler aufweist, wobei das Heizelement näher am zweiten Temperaturfühler angeordnet ist, wobei der erste Temperaturfühler zum ersten Messsignal TP(t) beiträgt oder dieses erzeugt und der zweite Temperaturfühler zum zweiten Messsignal TP3(t) beiträgt oder dieses erzeugt.
• Hierbei können insbesondere die beiden Temperaturfühler auf der gleichen Seite des Heizelements angeordnet sein, was in gewisser Weise einer asymmetrischen Anordnung des ersten und des zweiten Temperaturfühlers bezüglich des Heizelements entspricht. Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen beschrieben, bei denen ein weiterer dritter Temperaturfühler auf der anderen Seite des Heizelementes vorhanden ist, der in etwa so weit beabstandet vom Heizelement ist, wie der erste Temperaturfühler. Weiterhin kann ein vierter Temperaturfühler vorhanden sein, der ebenfalls auf der anderen Seite des Heizelementes angeordnet ist (zusammen mit dem dritten Temperaturfühler), wobei der vierte Temperaturfühler in etwa einen Abstand zum Heizelement aufweist, der dem Abstand des zweiten Temperaturfühlers zum Heizelement entspricht. Die vier Temperaturfühler können dann insgesamt symmetrisch bezüglich des Heizelementes angeordnet sein. Bei symmetrischer Anordnung der ersten und dritten Temperaturfühler bzw. der zweiten und vierten Temperaturfühler bezüglich des Heizelementes bietet es sich an, das erste Messsignal TP aus den Summen der Messsignale des ersten und des dritten Temperaturfühlers zu bilden. Das zweite Messsignal TP3 kann entsprechend aus der Summe der Messignale der zweiten und vierten Temperaturfühler gebildet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor einen dritten auf der Membran angeordneten Temperaturfühler aufweist, wobei das Heizelement zwischen dem ersten und dem dritten Temperaturfühler angeordnet ist, wobei das Heizelement näher am zweiten Temperaturfühler als an dem ersten und dem dritten Temperaturfühler angeordnet ist, wobei der erste und der dritte Temperaturfühler jeweils ein Messsignal TP1, TP2 erzeugen, wobei das erste Messsignal TP(t) proportional zur Summe der Messsignale des ersten und des dritten Temperaturfühlers ist. Vorzugsweise sind der erste und der dritte Temperaturfühler gleich weit vom Heizleiter beabstandet. Insbesondere kann das erste Messsignal TP(t) durch die Summe der beiden Messignale TP1 und TP2 gebildet sein. Die Größe S(t) für die Korrektur ΔTP3 lautet dann entsprechend: $$S\left(t\right)=\frac{TP\left(t\right)}{TP3\left(t\right)}=\frac{TP1\left(t\right)+TP2\left(t\right)}{TP3\left(t\right)}.$$

  
• Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Sensor einen vierten auf der Membran angeordneten Temperaturfühler aufweist, wobei das Heizelement zwischen dem zweiten und dem vierten Temperaturfühler angeordnet ist, und wobei der zweite und der vierte Temperaturfühler jeweils einen geringeren Abstand zum Heizelement aufweisen als der erste und der dritte Temperaturfühler, wobei der zweite und der vierte Temperaturfühler jeweils ein Messsignal TP31, TP32 erzeugen, wobei das zweite Messsignal TP3 proportional zur Summe der Messsignale TP31, TP32 des zweiten und des vierten Temperaturfühlers ist. Vorzugsweise sind der zweite und der vierte Temperaturfühler gleich weit vom Heizleiter beabstandet. Insbesondere kann das zweite Messsignal TP3(t) durch die Summe der beiden Messsignale TP31 und TP32 gebildet sein. Anstelle der oben genannten Summen von Messsignalen kann z.B. jeweils auch das arithmetische Mittel verwendet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Temperaturfühler eine Thermosäule mit mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen aufweist, wobei jedes Thermoelement einen ersten elektrischen Leiter aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter des jeweiligen Thermoelements an einer auf der Membran angeordneten Verbindungsstelle miteinander verbunden sind. Alternativ oder ergänzend ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der dritte Temperaturfühler jeweils eine Thermosäule mit mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen aufweist, wobei jedes Thermoelement einen ersten elektrischen Leiter aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter des jeweiligen Thermoelements an einer auf der Membran angeordneten Verbindungsstelle miteinander verbunden sind.
• Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Heizelement zwischen den Verbindungstellen des ersten Temperaturfühlers und den Verbindungsstellen des dritten Temperaturfühlers angeordnet ist. Bevorzugt ist das Heizelement von den Verbindungstellen des ersten Temperaturfühlers und den Verbindungsstellen des dritten Temperaturfühlers gleich weit entfernt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Temperaturfühler ein Thermoelement aufweist bzw. durch ein Thermoelement gebildet ist, wobei das Thermoelement einen ersten elektrischen Leiter aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter des Thermoelements an einer auf der Membran angeordneten Verbindungsstelle miteinander verbunden sind. Alternativ oder ergänzend ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der vierte Temperaturfühler ein Thermoelement aufweist, wobei das Thermoelement einen ersten elektrischen Leiter aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter des Thermoelements an einer auf der Membran angeordneten Verbindungsstelle miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist das Heizelement zwischen der Verbindungstelle des zweiten Temperaturfühlers und der Verbindungsstelle des vierten Temperaturfühlers angeordnet. Weiterhin sind bevorzugt die Verbindungsstellen des zweiten und des vierten Temperaturfühlers gleich weit vom Heizelement entfernt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindungstellen des zweiten und des vierten Temperaturfühlers näher an dem Heizelement angeordnet sind als die Verbindungstellen des ersten und des dritten Temperaturfühlers.
• Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Sensor dazu konfiguriert, das zweite Messsignal derart bereitzustellen, dass es proportional zur Summe einer elektrischen Spannung des Thermoelements des zweiten Temperaturfühlers und einer elektrischen Spannung des Thermoelements des vierten Temperaturfühlers ist. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Sensor dazu konfiguriert ist, das erste Messsignal bereitzustellen, derart, dass es proportional zur Summe der elektrischen Spannungen der Thermoelemente des ersten Temperaturfühlers und der elektrischen Spannungen der Thermoelemente des dritten Temperaturfühlers ist.
• Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des Sensors vorgesehen, dass der Sensor dazu ausgebildet ist, an das Heizelement eine konstante Heizspannung anzulegen, wobei der Sensor weiterhin eine Strommesseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Heizstrom I(t) zu messen, wobei der Sensor dazu ausgebildet ist, anhand des Heizstromes I(t) eine temperaturbedingte Änderung der Heizleistung des Heizelementes zu bestimmen.
• Eine Drift des Heizwiderstandes des Heizelements führt nämlich zu einer Drift der Heizleistung, und somit auch zu einer Änderung der Membrantemperatur. Die Heizleistungsänderung lässt sich bei konstanter Heizspannung mittels einer Heizstrommessung messen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Korrigieren eines Messsignals unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors offenbart, insbesondere zum Messen einer Konzentration eines Stoffes in einem Fluid, wobei automatisch die hierin dargelegte Signalkorrektur ΔTP3(t) des zweiten Messignals TP3(t) automatisch berechnet wird und das entsprechend korrigierte zweite Messignal TP3c(t) ermittelt wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch die im Zusammenhang mit den Sensoren beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen näher charakterisiert werden.
• Nachfolgend sollen Ausführungsform der Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
• 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors,
• 2 eine Schnittansicht des in der 1 gezeigten Sensors,
• 3 die Drift des zweiten Messignals TP3 bei 30°C nach 1895 Betriebsstunden bei 150°C; es liegt eine mittlere Signaldrift von -0,9 % vor, wobei die fette Linie die durchschnittliche Drift darstellt, der schattierte Bereich den 6-Sigma-Bereich),
• 4 die Drift des (TP1 +TP2)/TP3-Signals bei 30°C in [%] nach 1895h Betrieb bei 150°C (die fette Linie stellt die durchschnittliche Drift dar, die graue Fläche den 6-Sigma-Bereich), und
• 5 die Drift des Heizstromsignals bei 30°C in [%] nach 1895h Betrieb bei 150°C. Der Heizer wird mit konstanter Spannung versorgt (die fette Linie stellt die durchschnittliche Drift dar, die graue Fläche den 6-Sigma-Bereich).
• 1 zeigt im Zusammenhang mit 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 1. Dieser weist ein Heizelement 2 auf, das zwischen einem ersten Temperaturfühler 10 und einem dritten Temperaturfühler 11 auf einer Membran 4 des Sensors 1 angeordnet ist. Bei dem Heizelement 2 kann es sich z.B. um einen Heizleiter 2 handeln, durch den ein elektrischer Heizstrom I(t) geführt werden kann, der Joulesche Wärme erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei den Temperaturfühlern 10, 11 um Thermosäulen, es können allerdings auch anderen Arten von Temperaturfühlern verwendet werden. Der Sensor 1 weist ferner ein Substrat 3 auf, beispielsweise ein Halbleitersubstrat, auf dem die Membran 4 angeordnet ist, die Membran 4 kann z.B. brückenförmig zwischen zwei Substratteilen bzw. -abschnitten 30, 31 verlaufen. Weiterhin kann die Membran 4 umlaufend mit einem Substrat 3 verbunden sein, das z.B. eine Ausnehmung bzw. Öffnung aufweist. Auch in diesem Fall verläuft die Membran 4 zwischen zwei einander gegenüberliegenden Substratteilen 30, 31. Die Membran 4 ist in einer Kammer 5 des Sensors 1 angeordnet, die zur Aufnahme des Fluids dient, so dass das Fluid in einem thermischen Kontakt zur Membran 4 steht. Auf der Membran 4 ist das Heizelement 2 sowie der erste und der dritte Temperaturfühler 10, 11 beidseitig des Heizelementes 2 angeordnet, so dass das Heizelement 2 zwischen dem ersten und dem dritten Temperaturfühler 10, 11 zu liegen kommt. Die beiden Temperaturfühler 10, 11 sind dazu ausgebildet, jeweils ein Messsignal TP1 und TP2, aus denen sich Temperaturen am Ort des jeweiligen Temperaturfühlers 10, 11 ableiten lassen. Der Sensor 1 weist weiterhin bevorzugt eine Strommesseinheit 14 auf, die dazu ausgebildet ist, den Heizstrom I(t) zu messen, wobei der Sensor 1 bevorzugt dazu ausgebildet ist, anhand des Heizstromes I(t) eine temperaturbedingte Änderung der Heizleistung des Heizelementes 2 zu bestimmen.
• Wie eingangs bereits dargelegt, sind der erste und der dritte Temperaturfühler 10, 11 bevorzugt jeweils als eine Thermosäule 10, 11 mit mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen 100, 110 ausgebildet, wobei jedes Thermoelement 100, 110 einen ersten elektrischen Leiter 100a, 110a aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter 100b, 110b aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter 100a, 100b bzw. 110a, 110b des jeweiligen Thermoelements 100 bzw. 110 an einer auf der Membran 4 angeordneten Verbindungsstelle 100c, 110c miteinander verbunden sind, und wobei das Heizelement 2 zwischen den Verbindungstellen 100c des ersten Temperaturfühlers 10 und den Verbindungsstellen 110c des dritten Temperaturfühlers 11 angeordnet ist. Die elektrischen Leiter 100a, 100b, 110a, 110b der jeweiligen Thermosäule sind über äußere Kontakte 100d, 110d in Reihe geschaltet, wobei diese äußeren Kontakte 100d, 110d auf dem entsprechenden Substratteil 30 bzw. 31 angeordnet sind, insbesondere unter Zwischenlage der Membran 4.
• Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Sensor 1 einen zweiten und einen vierten auf der Membran 4 angeordneten Temperaturfühler 12, 13 zum Erzeugen des Messignals TP3 aufweist, wobei das Heizelement 2 zwischen dem zweiten und dem vierten Temperaturfühler 12, 13 angeordnet ist, wobei der zweite und der vierte Temperaturfühler 12, 13 jeweils einen geringeren Abstand zum Heizelement 2 aufweisen als der erste und der dritte Temperaturfühler 10, 11.
• Die 1 und 2 zeigen eine symmetrische Anordnung der Temperaturfühler 10, 11, 12, 13 bezüglich des Heizelements 2. Es besteht aber die Möglichkeit, auf einen der beiden Temperaturfühler 12, 13 zu verzichten. Alternativ oder ergänzend könnte auf einen der Temperaturfühler 10, 11 verzichtet werden. Es müssen vorzugsweise zumindest zwei Temperaturfühler in einem unterschiedlichen Abstand zum Heizleiter vorgesehen sein.
• Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, weist der Sensor 1 weiterhin einen zweiten und einen vierten Temperaturfühler 12, 13 auf, vorzugsweise jeweils in Form eines Thermoelements, wobei jedes Thermoelement 12, 13 einen ersten elektrischen Leiter 120a, 130a aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter 120b, 130b aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter 120a, 120b bzw. 130a, 130b des jeweiligen Thermoelements jeweils an einer auf der Membran 4 angeordneten Verbindungsstelle 120c, 130c miteinander verbunden sind, und wobei das Heizelement 2 zwischen der Verbindungstelle 120c des dritten Temperaturfühlers 12 und der Verbindungsstelle 130c des zweiten Temperaturfühlers 13 angeordnet ist. Wie aus der 1 ersichtlich ist, sind bevorzugt die Verbindungstellen 120c, 130c des dritten und des vierten Temperaturfühlers bzw. Thermoelements 12, 13 näher an dem Heizelement 2 angeordnet, als die Verbindungstellen 100c, 110c des ersten und des zweiten Temperaturfühlers 10, 11. Weiterhin sind die äußeren Kontakte 120d, 130d der ersten und zweiten Leiter 120a, 130a bzw. 120b, 130b der Thermoelemente 12, 13 - im Gegensatz zu den Verbindungsstellen 120c, 130c - auf dem Substrat 3 angeordnet, insbesondere unter Zwischenlage der Membran 4.
• Bei dem (zweiten) Messsignal TP3 handelt es sich vorzugsweise um eine Summe einer elektrischen Spannung des Thermoelements des zweiten Temperaturfühlers 12 und einer elektrischen Spannung des Thermoelements des vierten Temperaturfühlers 13 bzw. um eine zu dieser Summe proportionale Größe (z.B. das arithmetische Mittel). Aus dem Messignal TP3 kann daher eine Temperatur im Bereich des Heizelements 2 abgeleitet werden. Um die Konzentration eines Bestandteils des Fluids zu messen, wird das Fluid in die Kammer 5 des Sensors 1 geleitet.
• Zur Messung einer Fluidkonzentration wird die Membran 4 mittels des Heizelements 2 beheizt und die Temperatur der Membran wird gemessen. Wie oben beschrieben, kann die Temperatur der Membran 4 entweder mit Thermosäulen oder Widerstandselementen gemessen werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Membran immer auf eine konstante Temperatur zu erwärmen und die Leistung zu messen, die der Fluidkonzentration entspricht. Bei den zu messenden Fluidkonzentrationen kann es sich sowohl um die Konzentration eines Gases bzw. verschiedener Gase handeln. Gleiches gilt für flüssige Fluide.
• Zur Messung der Membrantemperatur, die von der mit der Membranstruktur in Kontakt stehenden Flüssigkeit abhängt, wird vorzugsweise das Signal der TP3-Thermosäulen gemessen (TP1, TP2 oder die Summe der TP-Signale können ebenfalls verwendet werden). Daher ist das TP3-Signal eine Funktion der Fluidkonzentration (d. h. der Wärmeleitfähigkeit des Fluids). Das TP3-Signal hängt jedoch nicht nur von der Fluidkonzentration ab, sondern auch von der Wärmeleitfähigkeit des Membranmaterials, da ein Teil der Wärme im Inneren des Membranmaterials transportiert wird.
• Für eine genaue Messung muss die vom Heizelement erzeugte Wärmemenge ebenfalls konstant sein.
• Zusammenfassung: Für eine genaue Messung der Fluidkonzentration über das TP3-Signal
• - muss die vom Heizelement erzeugte Wärmemenge konstant sein,
• - die Wärmeleitfähigkeit des Membranmaterials muss konstant sein.
• Die Abweichung dieser Parameter kann durch geeignete Signale kompensiert werden.
• Der Sensor 1 weist des Weiteren insbesondere eine in den Figuren nicht gezeigte Steuereinheit auf, die dazu konfiguriert ist, das Heizelement 2 anzusteuern und die Messignale TP1, TP2 und TP3 zu messen und zu verarbeiten, z.B. durch Zugriff auf im Sensor gespeicherte Lookup-Tabellen.
• Zur Messung einer Konzentration des Fluids wird, wie oben dargelegt, z.B. das Messsignal TP3 bestimmt. Dabei ist das Messsignal TP3 eine Funktion der besagten Konzentration. Die Steuereinheit des Sensors 1 kann z.B. auf eine Lookup-Tabelle zugreifen, die als Eingangswert das Messsignal TP3 aufweist sowie die Konzentration/Mischungsverhältnis des Fluids als Ausgangswert. Durch Interpolation der besagten Ausgangswerte der Lookup-Tabelle lässt sich die gesuchte Konzentration für jeden TP3-Wert berechnen.
• Der zu messende Parameter kann jeder von der Zusammensetzung des Fluids abhängige Wert sein, nicht nur die besagte Konzentration bzw. das Mischungsverhältnis, indem geeignete zweite Kalibrierungsdaten gespeichert werden.
• Bei dem vorstehend beschriebenen Messverfahren kann grundsätzlich die Problematik auftreten, dass das Messsignal TP3 eine Drift aufweist, die insbesondere durch die Drift des Heizelements 2 bzw. Heizwiderstands 2 (aufgrund des steigenden Heizwiderstands nimmt der Heizstrom bei konstant angelegter Spannung ab) und/oder durch die Drift der thermischen Eigenschaften des Membranmaterials verursacht wird.
• Die 3 zeigt beispielhaft die Drift des Messignals TP3 bei 30°C nach 1895 Betriebsstunden bei 150°C; es liegt eine mittlere Signaldrift von -0,9 % vor, wobei die fette Linie die durchschnittliche Drift darstellt, der schattierte Bereich den 6-Sigma-Bereich). Im Vergleich dazu zeigt 5 die Drift des Heizstromsignals bei 30°C in [%] nach 1895h Betrieb bei 150°C. Das Heizelement 2 wird mit konstanter Spannung versorgt (die fette Linie stellt die durchschnittliche Drift dar, die graue Fläche den 6-Sigma-Bereich).
• Durch eine Kombination der drei Messsignale TP1, TP2, TP3 und des Heizstroms (der die Änderung des Heizwiderstands bei konstanter Heizspannung darstellt) kann die Drift im Messignal TP3(t), d. h. im Konzentrationssignal, kompensiert werden.
• Die Korrektur wird dabei vom Sensor automatisch gemäß: $$\mathrm{\Delta }\text{TP}3\left(\text{t}\right)=\text{TP}3\left(\text{t}=0\right)\cdot \left[A\cdot \left(1-\frac{S\left(t\right)}{S\left(t=0\right)}\right)+\text{B}\cdot \left(1-\frac{I\left(t\right)}{I\left(t=0\right)}\right)\right]$$

  

  zu berechnen, wobei $S\left(t\right)=\frac{TP1\left(t\right)+TP2\left(t\right)}{TP3\left(t\right)},$

  

  berechnet, und wobei A und B reellwertige Faktoren bzw. Konstanten sind. Weiterhin stellt t=0 eine Anfangszeit bzw. den Zeitpunkt der Inbetriebnahme/Kalibration des Sensors 1 dar. Der Sensor 1 ist nun dazu ausgebildet, ein korrigiertes Messsignal TP3c(t) gemäß $$\text{TP}3\text{c}\left(\text{t}\right)=\text{TP}3\left(\text{t}\right)+\mathrm{\Delta }\text{TP}3\left(\text{t}\right)$$

  

  zu berechnen. Anhand des korrigierten Messignals TP3c(t) wird dann die Konzentrationsbestimmung bzw. die gewünschte Berechnung durchgeführt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Konstante A im Bereich von 1,5 bis 2. Weiterhin liegt bevorzugt die Konstante B im Bereich von 0,8 bis 1,2. Vorzugsweise betragen die Konstanten A und B in etwa A=1,75 und B=1.
• Die 4 zeigt beispielhaft die Drift des (TP1+TP2)/TP3-Signals bei 30°C in [%] nach 1895h Betrieb bei 150°C (die fette Linie stellt die durchschnittliche Drift dar, die graue Fläche den 6-Sigma-Bereich).
• Durch die beschriebene Kompensationsmethode kann daher mit Vorteil die Genauigkeit der Konzentrationsmessung mit einem thermischen Massenstromsensor über die Lebensdauer entscheidend verbessert werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1426740 B1 [0002]
• EP 2175246 B1 [0002]
• DE 3711511 C1 [0002]
• US 6838287 B2 [0002]

Claims (13)

1. Sensor (1) zum Messen eines Massenstroms eines Fluids und/oder einer Konzentration eines Stoffes in einem Fluid, aufweisend - eine Membran (4), die sich zumindest zwischen einem ersten und einem gegenüberliegenden zweiten Substratteil (30,31) erstreckt und auf diesen angeordnet ist, - eine Kammer (5) zur Aufnahme des Fluids, wobei die Membran (4) in der Kammer (5) angeordnet ist, - ein auf der Membran (4) angeordnetes Heizelement (2) zum Heizen des Fluids mittels eines elektrischen Heizstroms I(t), - eine Mehrzahl an auf der Membran (4) angeordneten Temperaturfühlern (10, 11, 12, 13), wobei der Sensor (1) dazu ausgebildet ist, mittels der Temperaturfühler (10, 11, 12, 13) ein erstes und ein zweites Messignal TP(t), TP3(t) zu erzeugen, wobei aus dem ersten Messignal TP(t) eine Temperatur der Membran (4) an einem ersten Ort und aus dem zweiten Messignal TP3(t) eine Temperatur der Membran (4) an einem zweiten Ort bestimmbar ist, der näher am Heizelement (2) liegt als der erste Ort, wobei der Sensor (1) dazu konfiguriert ist, eine Signalkorrektur ΔTP3(t) für das zweite Messsignal TP3(t) zum Zeitpunkt t gemäß $$\mathrm{\Delta }\text{TP}3\left(\text{t}\right)=\text{TP}3\left(\text{t}=0\right)\cdot \left[A\cdot \left(1-\frac{S\left(t\right)}{S\left(t=0\right)}\right)+\text{B}\cdot \left(1-\frac{I\left(t\right)}{I\left(t=0\right)}\right)\right]$$

   

   zu berechnen, wobei $S\left(t\right)=\frac{TP\left(t\right)}{TP3\left(t\right)},$

   

   wobei A und B reellwertige Konstanten sind, wobei t = 0 ein Anfangszeitpunkt ist, und wobei der Sensor weiterhin dazu konfiguriert ist, ein korrigiertes zweites Messsignal TP3c(t) gemäß $$\text{TP}3\text{c}\left(\text{t}\right)=\text{TP}3\left(\text{t}\right)+\mathrm{\Delta }\text{TP}3\left(\text{t}\right)$$

   

   zu berechnen.
2. Sensor nach Anspruch 1, wobei A im Bereich von 1,5 bis 2 liegt und/oder wobei B im Bereich von 0,8 bis 1,2 liegt.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) zumindest einen ersten und einen zweiten auf der Membran (4) angeordneten Temperaturfühler (10, 12) aufweist, wobei das Heizelement (2) näher am zweiten Temperaturfühler (12) angeordnet ist, wobei der erste Temperaturfühler (10) zum ersten Messsignal (TP) beiträgt oder dieses erzeugt und der zweite Temperaturfühler (12) zum zweite Messsignal (TP3) beiträgt oder dieses erzeugt.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) einen dritten auf der Membran (4) angeordneten Temperaturfühler (11) aufweist, wobei das Heizelement (2) zwischen dem ersten und dem dritten Temperaturfühler (10, 11) angeordnet ist, wobei das Heizelement (2) näher am zweiten Temperaturfühler (12) als an dem ersten und dem dritten Temperaturfühler (10, 11) angeordnet ist, wobei der erste und der dritte Temperaturfühler (10, 11) jeweils ein Messsignal erzeugen, wobei das erste Messsignal (TP) proportional zur Summe der Messsignale des ersten und des dritten Temperaturfühlers (10, 11) ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) einen vierten auf der Membran (4) angeordneten Temperaturfühler (13) aufweist, wobei das Heizelement (2) zwischen dem zweiten und dem vierten Temperaturfühler (12, 13) angeordnet ist, und wobei der zweite und der vierte Temperaturfühler (12, 13) jeweils einen geringeren Abstand zum Heizelement (2) aufweisen als der erste und der dritte Temperaturfühler (10, 11), wobei der zweite und der vierte Temperaturfühler (12, 13) jeweils ein Messsignal erzeugen, wobei das zweite Messsignal (TP3) proportional zur Summe der Messsignale des zweiten und des vierten Temperaturfühlers (12, 13) ist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturfühler (10) eine Thermosäule mit mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen (100) aufweist, wobei jedes Thermoelement (100) einen ersten elektrischen Leiter (100a) aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter (100b) aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter (100a, 100b) des jeweiligen Thermoelements (100) an einer auf der Membran (4) angeordneten Verbindungsstelle (100c) miteinander verbunden sind, und/oder dass der dritte Temperaturfühler (11) jeweils eine Thermosäule mit mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen (110) aufweist, wobei jedes Thermoelement (110) einen ersten elektrischen Leiter (110a) aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter (110b) aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter (110a, 110b) des jeweiligen Thermoelements (110) an einer auf der Membran (4) angeordneten Verbindungsstelle (110c) miteinander verbunden sind.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) zwischen den Verbindungstellen (100c) des ersten Temperaturfühlers (10) und den Verbindungsstellen (110c) des dritten Temperaturfühlers (11) angeordnet ist
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Temperaturfühler (12) ein Thermoelement (120) aufweist, wobei das Thermoelement (120) einen ersten elektrischen Leiter (120a) aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter (120b) aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter (120a, 120b) des Thermoelements (120) an einer auf der Membran (4) angeordneten Verbindungsstelle (120c) miteinander verbunden sind, und/oder dass der vierte Temperaturfühler (13) ein Thermoelement (130) aufweist, wobei das Thermoelement (130) einen ersten elektrischen Leiter (130a) aus einem ersten Material und einen zweiten elektrischen Leiter (130b) aus einem zweiten Material aufweist, wobei sich die beiden Materialen voneinander unterscheiden, und wobei die beiden elektrischen Leiter (130a, 130b) des Thermoelements (130) an einer auf der Membran (4) angeordneten Verbindungsstelle (130c) miteinander verbunden sind.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) zwischen der Verbindungstelle (120c) des zweiten Temperaturfühlers (12) und der Verbindungsstelle (130c) des vierten Temperaturfühlers (13) angeordnet ist.
10. Sensor nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungstellen (120c, 130c) des zweiten und des vierten Temperaturfühlers (12, 13) näher an dem Heizelement (2) angeordnet sind als die Verbindungstellen (100c, 110c) des ersten und des dritten Temperaturfühlers (10, 11).
11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) dazu konfiguriert ist, das zweite Messsignal (TP3) bereitzustellen, derart, dass es proportional zur Summe einer elektrischen Spannung des Thermoelements (120) des zweiten Temperaturfühlers (12) und einer elektrischen Spannung des Thermoelements (130) des vierten Temperaturfühlers (13) ist, und/oder dass der Sensor (1) dazu konfiguriert ist, das erste Messsignal (TP) bereitzustellen, derart, dass es proportional zur Summe der elektrischen Spannungen der Thermoelemente (100) des ersten Temperaturfühlers (10) und der elektrischen Spannungen der Thermoelemente (110) des dritten Temperaturfühlers (11) ist.
12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) dazu ausgebildet ist, an das Heizelement (2) eine konstante Heizspannung anzulegen, wobei der Sensor (1) weiterhin eine Strommesseinheit (14) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Heizstrom I(t) zu messen, wobei der Sensor (1) dazu ausgebildet ist, anhand des Heizstromes I(t) eine temperaturbedingte Änderung der Heizleistung des Heizelementes (2) zu bestimmen.
13. Verfahren zum Korrigieren eines Messsignals unter Verwendung eines Sensors (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei automatisch die Signalkorrektur ΔTP3(t) des zweiten Messignals TP3(t) berechnet wird und automatisch das korrigierte zweite Messignal TP3c(t) berechnet wird.

Images