DE112005000251T5

DE112005000251T5 - Isolierte Gassensoranordnung

Info

Publication number: DE112005000251T5
Application number: DE112005000251T
Authority: DE
Inventors: Carlton Stevenson Ranch Salter; Robert Saugus Pendergrass
Original assignee: H2SCAN Corp Valencia; H2scan Corp
Current assignee: H2SCAN Corp Valencia; H2scan Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: JP2007519930A; JP4662951B2; US7249490B2; CN1938588B; US20080145279A1; US20050183968A1; CN1938588A; DE112005000251B4; WO2005073716A1; US7913542B2

Abstract

Gassensoranordnung zum Nachweis einer Komponente in einem Gasstrom, folgendes aufweisend:
(a) eine Montagefläche;
(b) einen Sensor, der auf der Montagefläche montiert ist und bei Anwesenheit der genannten Komponente ein Signal erzeugen kann;
(c) eine umhüllende Struktur mit:
(i) einer wandartigen Komponente mit einem Paar von vertikal beabstandeten Enden, wobei die wandartige Komponente mit einem Ende auf der genannten Montagefläche montiert ist und den Sensor umfasst; und
(ii) einer gasdurchlässigen Membran, die mit dem anderen Ende der wandartigen Komponente verbunden ist und so einen Innenraum innerhalb der umhüllenden Struktur abgrenzt;
wodurch eine Gasströmung über die gasdurchlässige Membran teilweise in den Innenraum gelangt, der den Sensor enthält.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft Sensoren zum Nachweis des Vorliegens einer Komponente in einem Gasstrom. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wasserstoffgassensoranordnung, bei der der Sensor in einer umhüllenden Struktur isoliert ist, die zwischen einer Montagefläche und einer gasdurchlässigen Membran angeordnet ist.
Hintergrund der Erfindung
Bei bestimmten Gassensoranwendungen wird angestrebt, den Sensor von der äußeren Umgebung zu isolieren, ohne seine Funktion zu beeinträchtigen. Eine derartige Isolation kann vorgesehen sein, um Wärmeverluste zu reduzieren oder zu minimieren, die auf den Sensor gelangende Lichtmenge zu reduzieren oder zu minimieren, und/oder um mechanische Beeinträchtigungen zu reduzieren oder zu minimieren. Oftmals wird ein Sensor mit einer vorgegebenen Temperatur betrieben, die typischerweise größer ist als die des zu vermessenden umgebenden Gasstroms. Dies wird bisweilen dadurch erreicht, dass eine wärmeerzeugende Einrichtung auf dem gleichen Träger wie der Gassensor angeordnet ist. In diesem Falle erfolgt ein begrenzter Wärmeverlust an den Gasstrom und die den Sensor umgebenden Komponenten. Dieser Wärmeverlust ist proportional einem Energieverlust für das gesamte System, in dem der Sensor aufgenommen ist und solche Wärmeverluste sind deshalb zu reduzieren oder zu minimieren. Bei bestimmten Sensoren ist es auch wichtig, die Menge des Lichtes, welches den Sensor erreicht, zu begrenzen. Schließlich wird bei den meisten Sensoren auch angestrebt, die mechanischen oder physikalischen Einflüsse, entweder von im zu vermessenden Gasstrom enthaltenen Partikeln stammend oder durch zufällige Ereignisse bedingte Störungen, wie ein Fallenlassen, zu begrenzen.

Herkömmliche thermische Isolierungstechniken beinhalteten eine Herstellung des Sensors derart, dass der Aufbau eine thermische Isolierung bewirkt (siehe beispielsweise US-Patente 5,211,053; 5,464,966; 5,659,127; 5,883,009 und 6,202,467). Diese beispielhaft angegebenen thermischen Isolierungstechniken bezogen sich jeweils auf einen ganz besonderen Sensoraufbau und waren nicht in der Lage, die Probleme zu überwinden, die mit einem Wärmeverlust einhergingen, d.h. in einer Situation, in der der Sensor Teil einer größeren Anordnung ist. Frühere Realisierungen solcher Gase detektierenden Einrichtungen, wie auf einem Katalysator basierende Gassensoren, verwendeten unterschiedliche Techniken zur thermischen Isolierung der Vorrichtung, wie etwa das Eintauchen der Vorrichtung in den zu vermessenden Gasstrom, die Verwendung einzelner Drähte zum elektrischen Anschluss der Sensoreinrichtung an ihre stromabgelegene Steuerschaltung (siehe zum Beispiel US-Patent 5,902,556); jedoch sind diese Lösungen wenig geeignet zur Verwendung bei einem Sensor mit mehrfachen Verbindungen.

Die oben genannten Lösungen gemäß dem Stand der Technik haben den Nachteil, für die meisten Anwendungen zu voluminös und sperrig zu sein. Auch werden bei den herkömmlichen Konstruktionen von Sensoren Nachteile eingehandelt hinsichtlich des Verhältnisses von Ansprechverhalten und Größe und des Verhältnisses der Isolierung zur Strömung. Das Verhältnis „Ansprechverhalten zu Größe" betrifft die Beziehung zwischen der Größe des dem Sensor zugeführten isolierten Gasvolumens und der Zeitspanne, die erforderlich ist, um einen vollständigen Austausch der Gaskomponenten in dem isolierten Volumen zu erreichen; je kleiner die Größe des isolierten Gasvolumens ist, umso schneller erfolgt der vollständige Austausch. Das Verhältnis „Isolation zu Strömung" betrifft die Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des dem Sensor zugeführten Gasstromes und der Größe und Geschwindigkeit des Wärmeverlustes am Sensor; höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten ziehen größere Mengen von Wärme vom Sensor schneller ab und steigern somit den Leistungsverbrauch durch den Sensor, um den Wärmeverlust auszugleichen. Schließlich haben sich die bekannten Lösungen auch nicht um die optische Empfindlichkeit bestimmter Sensoren gekümmert. Kapazitätsbasierte Einrichtungen sind nämlich im Allgemeinen lichtempfindlich und können dann, wenn sie Licht ausgesetzt sind, Fehlmessungen liefern.

Zusammenfassung der Erfindung

Die hier vorgestellte Gassensoranordnung hat einen Aufbau, in welchem der Sensor isoliert ist und mit dem einer oder mehrere der oben erläuterten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere reduziert die erfindungsgemäße Konfiguration mit einem isolierten Gassensor den Leistungsverbrauch, begrenzt unerwünschte Effekte von Umgebungslicht und begrenzt mechanische Beeinträchtigungen durch die Verwendung einer Struktur, die einen gasgefüllten Zwischenraum und eine umgebende Struktur bereitstellt, welche eine gas-permeable Membran beinhaltet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Gassensoranordnung zum Nachweis einer Komponente in einem Gasstrom folgendes auf:

(a) eine Montagefläche:
(b) einen Sensor, der auf der Montagefläche montiert ist, wobei der Sensor bei Anwesenheit der Komponente ein nachweisbares Signal erzeugen kann;
(c) eine umhüllende Struktur mit: (i) einer wandartigen Komponente mit einem Paar von vertikal beabstandeten Enden, wobei die wandartige Komponente mit einem Ende auf der Montagefläche montiert ist und den Sensor umgibt; und (ii) einer gas-permeablen Membran, die am anderen Ende der wandartigen Komponente angebracht ist und so einen Innenraum in der umhüllenden Struktur abgrenzt.

Der Gasstrom über die gasdurchlässige Membrane lässt einen Teil des Gasstromes in den Innenraum, welcher den Sensor enthält, eindringen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Gassensoranordnung hat die gasdurchlässige Membrane optische Eigenschaften, welche das Eindringen von Licht in den Innenraum verhindern. Die gasdurchlässige Membran ist für Licht nicht durchlässig und vorzugsweise lichtdicht.

Die gasdurchlässige Membrane besteht vorzugsweise aus einem Membranmaterial aus Polytetrafluorethylen oder einem darauf basierenden Stoff.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Gassensoranordnung ist die Montagefläche auf einer biegbaren Schaltkreisplatine ausgebildet und eben.

Bei einem näher dargestellten Ausführungsbeispiel der Gassensoranordnung ist der Sensor empfindlich für Wasserstoff und wird katalytisch aktiviert.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Gassensoranordnung ist das wandartige Bauteil rohrförmig und aus einem polymeren, elektrisch isolierenden Material gefertigt, vorzugsweise einem Acetatharz.

Ein Verfahren zum Isolieren eines Sensors in einer Gassensoranordnung, der in der Lage ist, ein nachweisbares Signal bei Vorliegen einer Komponente in einem Gasstrom abzugeben, enthält folgende Schritte:

(a) Montieren des Sensors auf einer Montagefläche;
(b) Einschließen des Sensors in eine umhüllende Struktur, welche aufweist: (i) eine wandartige Komponente mit einem Paar vertikal beabstandeter Enden, wobei die wandartige Komponente mit einem Ende auf der Montagefläche montiert ist und den Sensor umgibt; und (ii) eine gasdurchlässige Membran, die am anderen Ende der wandartigen Komponente befestigt ist und so einen Innenraum innerhalb der einhüllenden Struktur abgrenzt.

Die Gasströmung über die gasdurchlässige Membrane führt zur Infusion eines Teils des Gasstromes in den Innenraum mit dem Sensor.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Isolationsverfahrens hat die gasdurchlässige Membrane optische Eigenschaften, welche den Durchtritt von Licht in den Innenraum verhindern; vorzugsweise ist die gasdurchlässige Membrane lichtdicht.

Ein Verfahren zum Nachweis einer Komponente in einer Gasströmung enthält folgende Schritte:

(a) Montieren eines Sensors auf eine Montagefläche, wobei der Sensor in der Lage ist, ein nachweisbares Signal zu erzeugen wenn die Komponente vorliegt;
(b) Einschließen des Sensors in eine umhüllende Struktur, welche folgendes aufweist: (i) eine wandartige Komponente mit einem Paar von vertikal beabstandeten Enden, wobei die wandartige Komponente mit einem Ende auf der Montagefläche montiert ist und den Sensor umgibt; und (ii) eine gasdurchlässige Membrane, die am anderen Ende der wandartigen Komponente befestigt ist und so einen Innenraum innerhalb der einhüllenden Struktur abgrenzt;
(d) Erzeugen einer Gasströmung des Gasstromes über die gasdurchlässige Membrane, wodurch ein Teil des Gasstromes in den Innenraum eindringt und auf den Sensor auftrifft; und
(e) Erzeugen eines nachweisbaren Signals des Sensors bei Vorliegen der Komponente.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Isolierverfahrens hat die gasdurchlässige Membrane optische Eigenschaften, welche den Durchtritt von Licht in den Innenraum behindern, vorzugsweise ist die gasdurchlässige Membrane lichtdicht.

Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung und zeigt einen Schnitt einer ersten Grundkonfiguration einer Anordnung mit einem isolierten Gassensor.
2 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung mit einem Gassensor unter Verwendung der in 1 gezeigten Konfiguration.
3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Anordnung mit einem Gassensor gemäß 2.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Eine erste Grundkonfiguration einer Anordnung 10 mit einem isolierten Gassensor ist schematisch in 1 gezeigt. Die Gassensoranordnung 10 enthält eine biegsame Schaltkreisoberfläche 15, auf der ein Sensor 22, eine einhüllende Struktur 30 (Gehäuse) mit einer wandartigen Komponente 32, eine gasdurchlässige Membrane 34, wie dargestellt, montiert sind. Ein Innenraum, der auch als gasgefüllte Lücke ansprechbar ist, ist in der umhüllenden Struktur 30 ausgeformt, und am Boden durch den biegsamen Schaltkreis 15 (Platine) und den Sensor 22, seitlich durch die wandartigen Komponenten 32 und oben durch die Membrane 34 abgegrenzt.
Bei der dargestellten Anordnung hat die biegsame Schaltkreisplatine 15 eine biegsame (und faltbare) ebene Oberfläche, auf welcher der Sensor 22 und das umgebende Gehäuse 30 fest montierbar sind.
Die Montagefläche kann andere als ebene Konfigurationen einnehmen, je nach der Anwendung des Gassensors. Solche Konfigurationen von Montageflächen könnten beispielsweise bogenförmig oder halbkugelförmig sein, wobei also die Oberfläche, auf welcher der Sensor und die umgebende Hülle montiert werden, nicht eben sind.
Der Sensor 22 ist in der Lage, ein nachweisbares Signal zu erzeugen, wenn die zu detektierende Komponente in dem Gas vorhanden ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies Wasserstoff. Das vom Sensor 22 erzeugte elektrische Signal wird über in der flexiblen Platine ausgebildete Kupferleiter (nicht gezeigt) zu einer stromab gelegenen Steuerschaltung zur elektrischen Signalverarbeitung übertragen, welche das Signal in ein verarbeitbares Ausgangssignal wandelt, welche das Vorhandensein und/oder die Konzentration der nachzuweisenden Komponente in dem Gasstrom (Wasserstoff beim Ausführungsbeispiel) anzeigt.
Bei dem hier näher beschriebenen Wasserstoffgassensor erzeugt der Sensor ein Signal aufgrund der katalytischen Reaktion von Sensorkomponenten oder -elementen mit Wasserstoff, welcher in dem zu vermessenden Gasstrom vorhanden ist. Geeignete Wasserstoffsensorkonfigurationen sind in unterschiedlicher Ausgestaltung von den Sandia National Laboratories entwickelt worden (siehe R. Thomas und R. Hughes, „Sensors for Detecting Molecular Hydrogen Based on PD Metal Alloys", J. Electrochem. Soc., Vol. 144, Nr. 9, September 1997; und US-Patent 5,279,795). Auch in der gleichzeitig von der Anmelderin eingereichten Patentanmeldung beschriebene Sensorkonfigurationen mit den Bezeichnungen H2Scan LLC sind geeignet.
Die Reduzierung und Minimierung von Wärmeverlusten durch Konvektionsströmungen wird durch das Zusammenwirken der gasdurchlässigen Membrane 34 mit den wandartigen Komponenten 32 und der flexiblen Schaltkreisoberfläche 15, welche den Gassensor 22 in der Struktur 30 einschließen, erreicht. Da es die Funktion des Gassensors ist, bestimmte Konzentrationen von Gaskomponenten in einer gegebenen Atmosphäre nachzuweisen oder zu messen, ist die Gassensoranordnung 22 notwendigerweise einem größeren Volumen eines strömenden Gases (nicht gezeigt) ausgesetzt. Dieser Gasstrom kann Strömungen unterworfen sein, die entweder natürlichen Ursprunges sind oder durch den Fluss des Gasstroms durch eine Leitung (nicht gezeigt) hervorgerufen werden. Die Isolation des Sensors 22 von solchen Strömungen durch den Einsatz einer umhüllenden Struktur 30 und einer gasdurchlässigen Membran 34 bewirkt eine weitere Reduzierung von Leistungsverlusten am Sensor 22.
Die gasdurchlässige Membran 34 erlaubt es dem nachzuweisenden Gas, den Sensor 22 zum Zwecke der Messung zu erreichen, wobei die Membran aber auch die Geschwindigkeit der Gasströmung 52 reduziert und begrenzt, mit welcher diese Strömung den Sensor 22 passiert. Da die durch Konvektion verursachten Wärmeverluste an der Oberfläche eine Funktion der Geschwindigkeit des auftreffenden Gasstromes sind, wird der Wärmeverlust vom Sensor 22 aufgrund seiner Anordnung in der umhüllenden Struktur 30 reduziert.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die gasdurchlässige Membran 34 am oberen Ende der einhüllenden Struktur (d.h. am der Montagefläche gegenüberliegenden Ende) befestigt, um den Innenraum innerhalb der einhüllenden Struktur zu definieren, welcher von der äußeren Umgebung isoliert ist.
Die 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Anordnung mit einem isolierten Gassensor in zusammengebautem Zustand (2) und in Explosionsdarstellung (3). Gemäß den 2 und 3 enthält die Gassensoranordnung 10 eine biegsame Leiterplatine 15, auf welcher ein Sensor 22 montiert ist, sowie eine umhüllende Struktur 30 mit einer wandartigen Komponente 32, und eine gasdurchlässige Membrane 34. Ein Innenraum, auch als gasgefüllter Spalt zu bezeichnen, wird innerhalb der umgebenden Hülle 30 gebildet, wobei der Innenraum begrenzt wird am Boden durch die biegsame Platine 15 und den Sensor 22, an den Seiten durch die wandartige Komponente 32, und oben durch die Membrane 34.
Wie 2 und insbesondere 3 zeigen, ist der Sensor 22 auf einem Mittelabschnitt 15c, bezogen auf die Längserstreckung, des flexiblen Schaltkreises 15 montiert. Ein Endabschnitt 15a der biegsamen Schaltkreisplatine 15 ist unter den Mittelabschnitt 15c gefaltet, um eine Anordnung zu erzeugen, bei der der untergelegte Endabschnitt 15a den Mittelabschnitt 15c abstützt und verhindert, dass der Mittelabschnitt 15c die darunterliegenden Komponenten der Anordnung 10 berührt. Die durch den unter den Boden gefalteten Abschnitt 15a erzeugte Abstützung stellt auch sicher, dass ein Zwischenraum unter dem zentralen Abschnitt 15c und dem darauf montierten Sensor 22 beibehalten wird, wodurch der Sensor 22 von den darunterliegenden Bauteilen der Anordnung 10 thermisch isoliert wird.
Wie die 2 und 3 auch zeigen, endet die flexible Leiterplatine 15 in einem Endabschnitt 15b, mit dem die Kupferleiter (nicht gezeigt), die von dem Sensor 22 ausgehen, elektrisch mit Anschlussstiften 19 verbunden sind. Jeder Anschlussstift hat einen Kopfabschnitt 19a und einen angespitzten Abschnitt 19b. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Kupferbahn, die vom Gassensor 22 ausgeht, elektrisch mit einem Kopf 19a eines Stiftes verbunden. Die angespitzten Abschnitte der Stifte 19 sind durch Löcher im Endabschnitt 15b der biegsamen Leiterplatine 15 gesteckt und sodann durch dazu ausgerichtete Löcher in einer elektrisch isolierenden Stützplatte 17. Die angespitzten Abschnitte der Stiftverbinder 19 sind in dazu ausgerichte te Montagelöcher in eine Schaltkreisplatine (nicht gezeigt) einführbar, wobei die Schaltkreisplatine die stromab (der Gasströmung) angeordneten Verarbeitungs- und Steuerschaltkreise aufnimmt, an welche die Signale des Sensors 22 übertragen werden.
Die gasdurchlässige Membran hat bevorzugt optische Eigenschaften, die den Durchgang von Licht in den Innenraum der umgebenden Hülle verhindern. Die bevorzugte gasdurchlässige Membrane ist nicht lichtdurchlässig (bevorzugt lichtdicht) und besteht aus einem polymeren Material. Ein geeignetes Material für die gasdurchlässige Membran ist ein Material auf Basis von Polytetrafluorethylen, welches am Markt erhältlich ist von W.L. Gore & Associates unter der Handelsbezeichnung Gore^TM Membrane Vents (erhältlich mit unterschiedlichen Porositätsdurchmessern und Luftströmungsraten unter den Produktbezeichnungen VE70308, VE70510, VE70814, VE70919, VE71221 und VE 72029). Es können auch andere geeignete, nichtpolymere gasdurchlässige Membranmaterialien eingesetzt werden, wie zum Beispiel poröse Metallmembranen.
Über die Reduzierung von Wärmeverlusten hinaus ist die optische Isolierung bestimmter Gassensoren hilfreich, um Wechselwirkungen und Verfälschungen des Messsignals bezüglich der Gaskomponente(n), die zu messen ist, zu reduzieren oder zu minimieren. Die Verwendung bestimmter gaspermeabler Membranen kann das Eintreten von Umgebungslicht und dessen Auftreffen auf den Gassensor 22 reduzieren und minimieren. Die umgebende Hülle 30 besteht deshalb bevorzugt aus einem lichtundurchlässigen Material, sodass im Zusammenwirken mit der Membran 34 der Sensor 22 unter kontrolliertem Lichteinfall steht.
Die Verwendung einer gasdurchlässigen Membrane und anderer den Sensor umgebender Bauteile reduziert auch das Risiko mechanischer Beeinträchtigungen. Solche Beeinträchtigungen könnten auftreten in Form von Partikeln, die in dem das zu messende Gas enthaltenen Gasstrom enthalten sind. Auch zufällig auftretende mechanische Störungen der Gassensoranordnung oder auch Störungen am Gesamtsystem, wie ein Fallenlassen oder Anstoßen, könnten solche Beeinträchtigungen darstellen. Die durch die beschriebene umhüllende Struktur gegebene Abschirmung reduziert und minimiert die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Sensors und seiner Verbindungen zu zusammenwirkenden Komponenten.
Herkömmlicherweise werden gesinterte Metallscheiben verwendet, um hauptsächlich die Strömungsempfindlichkeit zu reduzieren und mechanische Beeinträchtigungen zu verhindern. Diese herkömmlichen Anordnungen haben aber mit Blick auf die den Gassensor enthaltende Anordnung folgende Nachteile:

– herkömmliche Gassensoren sind beträchtlich größer als die Vorliegende;
– herkömmliche Gassensoren isolieren nicht den Gasstrom, in dem die zu vermessenden Komponenten mitströmen;
– herkömmliche Gassensoren bilden wesentlich größere isolierte Volumina; und
– herkömmliche Gassensoren behindern nicht das Licht beim Eintritt in das isolierte Volumen.

Bei herkömmlichen Konstruktionen wurden Kompromisse gemacht hinsichtlich der Porosität des gesinterten Metalls, seiner Stärke, und dem isolierten Volumen. Ist die Porosität des gesinterten Metalls zu groß (d.h. liegen zu viele offene Poren im inneren Volumen vor) oder ist die gesinterte Metallscheibe zu dünn, dann sind die Störungen aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit ausgeprägter. Allerdings reduziert eine sehr geringe Porosität des gesinterten Metalls die Ansprechzeit (d.h. die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, zu dem eine Änderung in der Konzentration der zu detektierenden Gaskomponente auftritt, und dem Zeitpunkt, zu dem der Gassensor und die angeschlossenen Verarbeitungsschaltkreise diese Änderung registrieren). Zwar sind solche gesinterten Metallscheiben im allgemeinen in der Lage, das meiste Licht, dem der Sensor ansonsten ausgesetzt wäre, abzublocken, jedoch ist dieser Abschirmgrad im allgemeinen nicht ausreichend für Sensoren, die auf geringere Lichtmengen reagieren. Somit handeln sich Sensoranordnungen, welche isolierende gesinterte Metallscheiben verwenden, Nachteile hinsichtlich widersprüchlicher Leistungsanforderungen ein. Die hier beschriebene Anordnung ist grundsätzlich frei von solchen nachteiligen Kompromissen, da die Leistungsdaten bei reduzierter Größe der Gassensoranordnung wesentlich verbessert werden.
Bei der beschriebenen Gassensoranordnung wird die gasdurchlässige Membrane durch die wandartige Komponente der umhüllenden Struktur in ihrer Position gehalten, wobei die abstützende Struktur so einfach sein kann wie ein aus einem elektrisch isolierenden Material geformter Ring, wie zum Beispiel ein Ring aus Azetat-Kunstharz (am Markt erhältlich von DuPont unter dem Handelsnamen Delrin^®). Die umhüllende Struktur kann auch Formen annehmen, die verschieden sind von einem Ring, jedoch einen hohlen Innenraum zur Aufnahme des Sensors bilden. Die gasdurchlässige Membran wird vorzugsweise direkt über dem Sensor angeordnet und schließt vorzugsweise auch den Draht (bzw. die Drähte) ein, die sich zwischen dem Sensor und dem Prozessor und/oder anderen Elementen der Sensoranordnung erstrecken. Die sich so ergebende Struktur bewirkt die Verwendung eines relativ kleinen Volumens eines isolierten Gasstromes, wodurch das Ansprechverhalten des Sensors verbessert wird.
Der isolierte Gasstrom im Volumen der einhüllenden Struktur gemäß der hier beschriebenen Gassensoranordnung hat auch Strömungseigenschaften, welche im Vergleich zu bekannter Sensoren verbessert sind, wodurch Leistungsverluste mit dem hier gezeigten Aufbau vermindert sind. Die Messgenauigkeit der hier beschriebenen Sensoranordnung wird im Wesentlichen nicht durch Strömungen im Probengasvolumen gestört, da diese mechanisch getrennt ist vom Probengasvolumen. Die Hindernisse aufgrund der umgebenden Einhüllung und die gasdurchlässige Membran in der Gassensoranordnung schützen auch den Sensor gegen unterschiedlichste Formen von Beeinträchtigungen und Verschmutzungen, wie zum Beispiel mechanische Stöße, Flüssigkeitstropfen, Staub und dergleichen. Schließlich ist die bevorzugte Membrane der hier beschriebenen Gassensoranordnung undurchlässig für Umgebungslicht und isoliert lichtempfindliche Sensoren gegenüber der Umgebung.
Die Vorteile der hier beschriebenen Gassensoranordnung umfassen die Isolation des Sensors gegenüber: Licht, Probengasströmung, mechanischer Beeinträchtigung (bei der Handhabung, Staub, und dergleichen), Eindringen von flüssigen Verunreinigungen, ohne dass die Ansprechzeit und die thermische Isolierung des Sensors beeinträchtigt wären.
Während besondere Schritte, Bauteile, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind versteht sich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern dass der Fachmann Abänderungen und andere Anwendungen im Lichte der vorstehenden Beschreibung erkennt.
Zusammenfassung
Isolierte Gassensoranordnung
Eine Gassensoranordnung (10) weist eine Komponente in einem Gasstrom nach. Die Anordnung weist folgendes auf: (a) eine Montagefläche (15), (b) einen Sensor (22), der auf der Montagefläche (15) montiert ist und in der Lage ist, ein nachweisbares Signal zu erzeugen, wenn die Komponente vorhanden ist, und (c) eine umhüllende Struktur (3). Die umhüllende Struktur (30) enthält folgendes: (i) eine Wand (32) mit einem Paar vertikal beabstandeter Enden derart, dass ein Ende auf der genannten Montagefläche (15) montiert ist und die Wand den Sensor (22) umhüllt, und (ii) eine gasdurchlässige Membran (34), die am anderen Ende der Wand (32) befestigt ist, um so einen Innenraum innerhalb der umgebenden Hülle abzugrenzen. Eine Gasströmung über die Membran (34) gelangt mit einem Teil des Gasstromes in den genannten Innenraum, der den Sensor (22) enthält.

Claims

Gassensoranordnung zum Nachweis einer Komponente in einem Gasstrom, folgendes aufweisend: (a) eine Montagefläche; (b) einen Sensor, der auf der Montagefläche montiert ist und bei Anwesenheit der genannten Komponente ein Signal erzeugen kann; (c) eine umhüllende Struktur mit: (i) einer wandartigen Komponente mit einem Paar von vertikal beabstandeten Enden, wobei die wandartige Komponente mit einem Ende auf der genannten Montagefläche montiert ist und den Sensor umfasst; und (ii) einer gasdurchlässigen Membran, die mit dem anderen Ende der wandartigen Komponente verbunden ist und so einen Innenraum innerhalb der umhüllenden Struktur abgrenzt; wodurch eine Gasströmung über die gasdurchlässige Membran teilweise in den Innenraum gelangt, der den Sensor enthält.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der die gasdurchlässige Membran optische Eigenschaften hat, welche den Durchtritt von Licht in den Innenraum behindern.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 2, bei der die gasdurchlässige Membran nicht transparent ist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 3, bei der die gasdurchlässige Membran lichtdicht ist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der die gasdurchlässige Membran polymer ist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 2, bei der die gasdurchlässige Membran aus einem Material auf Polytetrafluorethylenbasis besteht.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Montagefläche von einer biegsamen Schaltkreisplatine gebildet ist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Montagefläche eben ist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der der Sensor Wasserstoff nachweist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 9, bei der der Sensor katalytisch aktiviert wird.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der das wandartige Bauteil rohrförmig ist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der das genannte wandartige Bauteil aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 12, bei der das elektrisch isolierende Material ein Polymer ist.
Gassensoranordnung gemäß Anspruch 13, bei der das elektrisch isolierende Material ein Acetat-Harz ist.
Verfahren zum Isolieren eines Sensors in einer Gassensoranordnung, wobei der Sensor bei Anwesenheit einer Komponente in einem Gasstrom ein nachweisbares Signal zu erzeugen vermag und das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Montieren des Sensors auf einer Montagefläche; (b) Umhüllen des Sensors mit einer einhüllenden Struktur, welche folgendes aufweist: (i) eine wandartige Komponente mit einem Paar von vertikal beabstandeten Enden, wobei die wandartige Komponente mit einem Ende auf der genannten Montagefläche montiert ist und den Sensor umgibt; und mit (ii) einer gasdurchlässigen Membran, die am anderen Ende der wandartigen Komponente befestigt ist und so einen Innenraum innerhalb der umhüllenden Struktur abgrenzt; wodurch eine Gasströmung über die genannte gasdurchlässige Membran mit einem Teil in den Innenraum, welcher den Sensor enthält, gelangt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die gasdurchlässige Membran optische Eigenschaften hat, die einen Durchgang von Licht in den Innenraum behindern.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die gasdurchlässige Membran nicht transparent ist.
Verfahren zum Nachweis einer Komponente in einer Gasströmung, folgende Schritte aufweisend: (a) Montieren des Sensors auf einer Montagefläche, wobei der Sensor eingerichtet ist, um bei Anwesenheit einer Komponente ein nachweisbares Signal zu erzeugen: (b) Einschließen des Sensors mit einer umhüllenden Struktur, welche aufweist: (i) eine wandartige Komponente mit einem Paar von vertikal beabstandeten Enden, wobei die wandartige Komponente mit einem Ende auf der genannten Montagefläche montiert ist und den Sensor umfängt; und (ii) eine gasdurchlässige Membran, die am anderen Ende der wandartigen Komponente befestigt ist und so einen Innenraum innerhalb der umhüllenden Struktur abgrenzt; (d) Führen eines Gasstromes über die genannte gasdurchlässige Membran, wodurch ein Teil des Gasstromes in den genannten Innenraum gelangt und auf den genannten Sensor auftrifft; und (e) Erzeugen eines nachweisbaren Signals mit dem Sensor bei Anwesenheit der genannten Komponente.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die genannte gasdurchlässige Membran optische Eigenschaften hat, die den Durchtritt von Licht in den Innenraum behindern.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die gasdurchlässige Membran lichtundurchlässig ist.