WO2002059588A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen einer wärmeleitfähigkeit - Google Patents

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WO2002059588A1
WO2002059588A1 PCT/DE2002/000265 DE0200265W WO02059588A1 WO 2002059588 A1 WO2002059588 A1 WO 2002059588A1 DE 0200265 W DE0200265 W DE 0200265W WO 02059588 A1 WO02059588 A1 WO 02059588A1
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heating
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PCT/DE2002/000265
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Inventor
Michael Arndt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring a thermal conductivity with means for providing a heating voltage, means for providing, a measuring current and means for generating a temperature-dependent voltage drop.
  • the invention further relates to a method for measuring thermal conductivity, comprising the steps: providing a heating voltage, providing a measuring current and generating a temperature-dependent voltage drop.
  • Thermal conductivity measurement is mainly used for quantitative analyzes of two-component gas mixtures.
  • the mixed heat conductivity is measured at a constant gas temperature.
  • Thermal conductivity measurement is particularly suitable for determining concentrations of hydrogen and helium in a mixture with other gases, such as air or Nitrogen, since hydrogen and helium each have an outstandingly high thermal conductivity.
  • Thermal conductivities ⁇ of typical gases are listed in Table 1.
  • FIG. 2 shows a micromechanical thermal conductivity sensor based on silicon. Such sensors are increasingly being used and further developed, in particular because, owing to the miniaturization, they have low power consumption and have a short response time.
  • Figure 2 shows a plan view in the lower part such an arrangement. In the upper part a sectional view is shown along the sectional plane marked with arrows and a dash-dot line in the lower part.
  • one or more temperature-dependent electrical resistors 124 are applied to a thermally insulated membrane 122.
  • Another temperature-dependent resistor 126 is applied outside the membrane 122; this is used for measuring the ambient temperature Tu.
  • T ⁇ sensor An increased temperature is conveyed to the temperature-dependent resistors 124 via the electrical connections 128, so that the arrangement on the membrane 122 acts as a T ⁇ sensor.
  • the static methods require the measurement of small changes in resistance. Resistance is measured by measuring voltages or currents. If these voltage or current signals, which are dependent on thermal conductivity, are to be processed digitally, they must be converted into digital signals after amplification. This is complex, prone to failure and cost-intensive. Another disadvantage of static measurement methods is the relatively high power requirement.
  • the invention is based on the generic device in that the means for providing a heating voltage provide a heating voltage that changes over time, and that means are provided for comparing the temperature-dependent voltage drop with a threshold voltage and for generating an output voltage that changes over time , In this way it is possible to determine the thermal conductivity on the basis of a time measurement instead of an expensive and fault-prone measurement of thermal voltages and currents dependent on thermal conductivity.
  • the thermal conductivity can be determined from the time characteristic of the time-varying output voltage.
  • the invention is particularly advantageous in that the output voltage has a first value when the temperature-dependent voltage drop is below the threshold voltage, and in that the output voltage has a second value when the temperature-dependent voltage drop lies above the threshold voltage. If one knows the times at which the output voltage has one or the other value in knowledge of the change in the heating voltage over time, a conclusion can be drawn from this about the thermal conductivity of the ambient gas.
  • the means for providing a heating voltage provide a periodically pulsed heating voltage. Due to the pulsed heating voltage, defined reference times are available, which can be used to determine the time course of the voltage drop. Furthermore, the power requirement of the sensor is reduced due to the use of a pulsed control. This is particularly advantageous for monitoring tasks.
  • Means are preferably provided for digitally evaluating the time-varying output voltage. Since it is no longer necessary on the basis of the present invention to measure analog voltages or analog currents, complex analog-digital converters are unnecessary. Rather, it is possible to directly digitally evaluate the output voltage.
  • the means for digitally evaluating the time-varying output voltage have a counter and if a pulse duty factor of the output voltage is evaluated. The periods during which the output voltage is at its different values are thus measured. From this the corresponding thermal conductivities can then be calculated.
  • the means for generating a temperature-dependent voltage drop preferably comprise a temperature-dependent resistor.
  • the voltage drop for a given current flowing through the resistor depends on the temperature, so that the voltage drop is a direct measure of the temperature of the temperature-dependent resistor.
  • the temperature-dependent resistor is a platinum resistor. Platinum resistors show a suitable variation of the resistance in temperature ranges, which are interesting for many applications.
  • the means for providing a temperature dependent voltage drop are arranged on a membrane. Due to its low mass, such a membrane has a comparatively low heat capacity, so that the arrangement has a good response behavior.
  • the means for providing a heating voltage usefully cooperate with a heating resistor. This is a particularly simple way of providing heating power that changes over time.
  • the means for generating a temperature-dependent voltage drop and the heating resistor are identical are.
  • functions can be integrated in a single component, namely the temperature-dependent resistor.
  • the heating voltage across the heating resistor is evaluated when measuring the membrane temperature with a known heating current. In this case, however, the heating current should not drop to zero while the membrane is cooling, so that the current required for measuring the cooling curve is available.
  • the invention builds on the generic method in that a time-varying heating voltage is made available, that the temperature-dependent voltage drop is compared with a threshold voltage and that a time-varying output voltage is generated. In this way it is possible to determine the thermal conductivity on the basis of a time measurement instead of an expensive and fault-prone measurement of thermal voltages and currents dependent on thermal conductivity.
  • the thermal conductivity can be determined according to the method according to the invention from the time characteristic of the time-varying output voltage.
  • the method is particularly advantageously further developed in that the output voltage has a first value when the temperature-dependent voltage drop is below the . Threshold voltage is, and that the output voltage has a second value when the temperature-dependent voltage drop is above the threshold voltage. Knowing the change in the heating voltage over time determines the times at which the output voltage has one or the other value, from this a conclusion can be drawn about the thermal conductivity of the ambient gas.
  • a periodically pulsed heating voltage is usefully provided. Due to the pulsed heating voltage, defined reference times are available, which can be used to determine the time course of the voltage drop. Furthermore, a method with reduced power requirement is made available due to the use of a pulsed control. This is particularly advantageous for monitoring tasks.
  • time-varying output voltage is evaluated digitally. Since it is no longer necessary on the basis of the present invention to measure analog voltages or analog currents, complex analog-digital converters are unnecessary. Rather, the method offers the possibility of directly evaluating the output signals digitally.
  • the method is advantageously further developed in that a counter is used for digital * evaluation of the time-varying output voltage and in that a pulse duty factor of the output voltage is evaluated. The periods during which the output voltage is at its different values are thus measured. The corresponding thermal conductivities can then be calculated from this. It is advantageous if the temperature-dependent voltage drop is generated by means of a temperature-dependent resistor.
  • a platinum resistor is preferably used as the temperature-dependent resistor.
  • the voltage drop depends on a given current flowing through the resistor on the temperature, so that the method is further developed in an advantageous manner in that the voltage drop is used as a direct measure of the temperature of the temperature-dependent resistor 'is.
  • the method can advantageously be carried out in such a way that a heating resistor is used to provide a heating output. This is a particularly simple way of providing heating power that changes over time.
  • the invention is based on the surprising finding that it is possible to carry out a time measurement instead of an expensive and fault-prone measurement of analog voltages and currents dependent on thermal conductivity. In this way, digital evaluation electronics can be used directly without having to carry out a complex analog-digital conversion before the digital evaluation. By using a pulsed control the power requirement of the sensor is reduced.
  • the invention also makes it possible to specifically adapt the sensitivity of the evaluation electronics to an area of thermal conductivity that is of interest. This provides information about thermal conductivity over a wide temperature range.
  • Figure 1 is an illustration for explaining the principle of a thermal conductivity measurement
  • FIG. 2 shows the structure of a micromechanical thermal conductivity sensor
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram to explain the invention
  • Figure 4 shows two diagrams for explaining the invention
  • FIG. 5 shows a diagram to explain the invention
  • Figure 6 shows a circuit diagram and two diagrams for explaining the invention
  • FIG. 7 shows two diagrams to explain the invention
  • Figure 8 shows two diagrams for explaining the invention
  • FIG. 9 shows a first result of a thermal conductivity measurement
  • Figure 10 shows a second result of a thermal conductivity measurement
  • Figure 11 shows a third result of a thermal conductivity measurement.
  • the invention can be used in the context of different thermal conductivity measurements. In particular, it can be used for the evaluation of micromechanical thermal conductivity sensor elements that have separate heating and membrane temperature sensor resistances. However, the invention can also be used for sensor elements which have only one heating resistor, which is used simultaneously as a membrane temperature sensor. In the following detailed description of the embodiments, the invention is based on a sensor element with separate heating and membrane temperature sensors. resistances described without restriction of generality.
  • FIG. 3 shows an electrical equivalent circuit diagram of a thermal conductivity sensor.
  • a heating resistor R H is traversed by a current I H, at which the heating resistor R H is dependent on the temperature T H U ⁇ voltage drops.
  • Another resistor R ⁇ is flowed through by a measuring current I MK , whereby a voltage U MK which depends on the temperature T ⁇ of the body drops across the resistor R ⁇ .
  • a current I M u flows through a third resistor R ⁇ ü , a voltage U MU which is dependent on the temperature Tu of the environment dropping at the resistor R ⁇ u .
  • the resistance R H thus serves to bring the body to the temperature T ⁇ , while the resistance R ⁇ provides a temperature-dependent voltage drop U M ⁇ .
  • FIG. 4 shows two diagrams to explain the invention.
  • a possible course of the heating current I H is plotted against the time t in FIG. 4a.
  • the heating current I H has a rectangular profile, changing its value from I H2 to I H1 at time t1; at time t2 the value changes again to I ⁇ 2 .
  • FIG. 4b shows temperature curves T ⁇ of the heated body, that is to say preferably the membrane, corresponding to this heating current as a function of time t.
  • the temperature T ⁇ is shown as a function of different thermal conductivities ⁇ of the surrounding medium, where ⁇ i> ⁇ 2 > ⁇ 3 applies. It can be seen that the membrane temperature T ⁇ increases with a high heating current I H2 .
  • the membrane temperature T ⁇ drops again. This decrease continues until the heating current I H is increased again to I H2 at time t2.
  • the rise in membrane temperature T ⁇ is steeper the lower the thermal conductivity ⁇ of the ambient gas. The higher the thermal conductivity ⁇ of the ambient gas , the steeper the drop in membrane temperature T ⁇ .
  • T ⁇ (t) P H R th _ e R ", C t h
  • Rh thermal resistance of heat dissipation
  • Ci heat capacity of the membrane
  • T ⁇ , ma ⁇ temperature of the membrane at the end of the heating process.
  • the thermal resistance R t of the heat dissipation from the membrane is composed of the thermal resistances of the dissipation into the surrounding carrier material, that is to say for example silicon, and into the surrounding gas. If the time required for the sensor to pass through the heating-cooling curve between two defined temperatures is considered when a known heating power is supplied, this time is a measure of the thermal conductivity of the surrounding medium. Thus, the time during which the temperature T ⁇ lies above a threshold temperature T s , which is also shown in FIG. 4b, is a measure of the thermal conductivity. Conversely, the time during which the temperature T ⁇ lies below the threshold temperature T s is also a measure of the thermal conductivity ⁇ . The measurement of this time can thus be used to avoid a direct measurement of the membrane temperature sensor resistance or the heating resistance. Such a time measurement is easily possible with a digital evaluation circuit.
  • FIG. 5 shows the voltage curve U MK as a function of time t at a temperature-dependent resistor which is exposed to the temperature changes shown in FIG. 4b.
  • three curves are drawn in the diagram according to FIG. 5, these showing the voltage curve for different thermal conductivities ⁇ i> ⁇ 2 > ⁇ 3 .
  • platinum can be used to manufacture the resistors, which has a specific electrical resistance that is dependent on the temperature.
  • a threshold value U s for the voltage U MK dropping across the temperature-dependent resistor can thus be defined. This threshold value is then used to determine the times which are ultimately evaluated digitally.
  • This threshold value is then used to determine the times which are ultimately evaluated digitally.
  • the time during which the voltage U MK lies above the threshold value U s is short. A short time above the threshold value allows a conclusion to be drawn about the high thermal conductivity of the ambient gas. Conversely, if the ambient gas has low thermal conductivity, the threshold value U s has been exceeded for a long period of time, so that it can be concluded that the ambient gas is low in thermal conductivity.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a circuit for evaluating the heating-cooling curve.
  • the circuit according to FIG. 6a comprises a first circuit with a differential amplifier 10, a heating resistor 20 and a further resistor 30.
  • An input voltage U E n n is input to the positive input of the differential amplifier 10, which preferably has a periodic rectangular shape, as shown in FIG Figure 6b is shown.
  • U Ein is plotted against t.
  • the negative input of the differential amplifier 10 is grounded via the resistor 30.
  • the output of the differential amplifier 10 supplies a heating current I H , which flows through the resistor 20, which has a value R H. This value is generally temperature dependent.
  • the circuit is closed by connecting the resistor 20 to the negative input of the differential amplifier 10.
  • a circuit is thus available which generates periodic temperature fluctuations, the period depending on the profile of the input voltage U E -. n is determined.
  • Another circuit of the circuit according to FIG. 6a comprises a current source 12, which supplies a measuring current I M ⁇ .
  • This measuring current I MK is essentially passed through a resistor 18 which is connected to earth and has a temperature-dependent value R ⁇ .
  • the voltage drop across the resistor 18 is measured by connecting one pole of the resistor 18 to the positive input of a differential amplifier 36 via a resistor 34.
  • Another pole of the resistor 18 is connected via a resistor 38 to the negative input of the differential amplifier 36.
  • the positive input of the differential amplifier 36 is also connected to earth via a further resistor 40.
  • the output of the differential amplifier 36 is fed back to the negative input of the differential amplifier 36 via a feedback resistor 42.
  • the output signal of the differential amplifier 36 is also fed to the positive input of a further differential amplifier 14.
  • a threshold voltage U s is fed from a voltage source 46 to the negative input of this further differential amplifier 14.
  • an output voltage U UU s is generated at the output 14 of the differential amplifier 14, the period of which depends on the input voltage U E in accordance with FIG. 6 b , the duty cycle, however, from the comparison of the signal generated due to the voltage drop across the resistor 18 with that Threshold voltage depends.
  • the output voltage U AUS is supplied to means 16 for digital evaluation. The course of the output voltage with an exemplary range of variation is shown in FIG. 6c, where U UU s is plotted against t.
  • the output voltage U Aö s After switching the input voltage U E i n to a low value or to zero at time t1 , the output voltage U Aö s also quickly goes to its lower value, since the voltage dropping across the temperature-dependent resistor 18 drops rapidly again below the threshold value U s .
  • the length of the output voltage signal U AU s is thus a measure of the thermal conductivity ⁇ of the ambient gas.
  • FIG. 8 shows two diagrams to explain another way of evaluating the heating-cooling curve.
  • the evaluation according to FIG. 8 only the heating part of the heating-cooling curve is used.
  • the following explanation of this evaluation method is exemplary for the evaluation of part of the heating-cooling curve, since, for example, only the cooling part of the heating-cooling curve can be used for the evaluation.
  • voltages or a current are plotted as a function of the time t. Again, the time t1 is the time of the periodic “switching off” of the input voltage U E n , while the time t2 is the time of the periodic “switching on” of an input voltage U is.
  • the heating current I H has a corresponding course.
  • the voltage U MK dropping across the temperature-dependent resistor 18 is against the Time t plotted.
  • the different voltage profiles depend on the different thermal conductivities ⁇ of the ambient gas. With a high thermal conductivity ⁇ i, the voltage U MK rises slowly, as was explained in connection with FIG. 5. With a lower thermal conductivity ⁇ 2 , the voltage U MK rises more rapidly. An even faster increase takes place at a thermal conductivity ⁇ 3 , which is lower than the thermal conductivity ⁇ 2 . Consequently, in the case of high thermal conductivity, the threshold value U s , which is shown in the lower part of FIG.
  • the output voltage U AU s reaches the high level shortly before the time t1. If the ambient gas has a higher thermal conductivity ⁇ 2 , the voltage U MK reaches the threshold value U s earlier. As a result, the output voltage U s also reaches the high level earlier. If the voltage is even higher, the voltage U MK reaches the threshold value U s even earlier. The output voltage therefore also reaches the high level very early on.
  • FIGS. 9 to 11 show three evaluation results of micromechanical thermal conductivity sensors which are based on the present invention.
  • FIG. 9 shows an evaluation result with pure air as the ambient gas. There is therefore a system with a comparatively low thermal conductivity.
  • the input voltage U E ⁇ n is a square wave voltage.
  • the voltage U MK dropping across the temperature-dependent resistor 18 according to FIG. 6 increases with the "switching on" of the input voltage U E ⁇ n , and it very quickly reaches the threshold voltage U s.
  • the output voltage is therefore also practically immediately after switching on the Input voltage U E i n at a high level.
  • Figure 6 drops invention. However, it only drops below the threshold voltage U s very late. The output voltage can therefore only assume the low value very late.
  • FIG. 10 shows an evaluation result with pure air as the ambient gas.
  • FIG. 10 shows measurement results for an ambient gas which consists of 50% by volume of air and 50% by volume of helium. Due to the helium content, the gas has a greatly increased thermal conductivity compared to pure air. For this reason, the curve U MK in Figure 10 rises more slowly on as the curve U HK in FIG. 9, so that the threshold value U s of the voltage U m is only reached later than in the case of FIG. 9 with clean air. Consequently, the output voltage U AU s also assumes the upper value at a later point in time. After the input voltage U Eln has been “switched off”, the voltage U MK drops again. If it falls below the threshold voltage U s , the output voltage also drops to its lower value. There is an average duty cycle of the output voltage U Aü ⁇ .

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit Mitteln (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung, Mitteln (12) zum Bereitstellen eines Messstroms und Mitteln (18) zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls, wobei die Mittel (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung eine sich zeitlich veränderende Heizspannung zur Verfügung stellen und Mittel (14) zum Vergleichen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls mit einer Schwellenspannung und zum Erzeugen einer sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit Mitteln zum Bereitstellen einer Heizspannung, Mitteln zum Bereitstellen, eines Messstroms und Mitteln zum Erzeugen eines temperaturabhangigen Spannungsabfalls. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit den Schritten: Bereitstellen einer Heizspannung, Bereitstellen eines Messstroms und Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls .
Stand der Technik
Gattungsgemäße Vorrichtungen und gattungsgemäße Verfahren werden beispielsweise zur Wärmeleitfähigkeitsmessung im Rahmen der Gasanalyse eingesetzt. Die Wärmeleitfähigkeitsmessung wird vor allem für quantitative Analysen zweikomponentiger Gasgemische eingesetzt. Zum Zwecke der quantitativen Analyse wird die Mischwärmeleitfähigkeit bei konstanter Gastemperatur gemessen. Besonders gut eignet sich die Wärmeleitfähigkeitsmessung zur Bestimmung von Konzentrationen von Wasserstoff und Helium in einem Gemisch mit anderen Gasen, wie zum Beispiel Luft oder Stickstoff, da Wasserstoff und Helium jeweils eine hervorstechend hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Wärmeleitfähigkeiten λ typischer Gase sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1:
Figure imgf000004_0001
Anhand von Figur 1 werden die Prinzipien der Wärmeleitfä- higkeitsmessung erläutert. Um die Wärmeleitfähigkeit λ eines Gases zu messen, wird ein Körper auf eine Temperatur Tj,- gebracht, welche größer ist, als die Temperatur des den Körper umgebenden Gases. Das Gas befindet sich auf Umgebungstemperatur Tö (Tκ > Tα) . Eine Heizleistung PH wird benötigt, um die Temperaturdifferenz ΔT = Tκ - T0 konstant zu halten. Diese Heizleistung PH ist direkt proportional zur Wärmeleitfähigkeit λ des Gases:
PH = KλΔT.
In dieser Gleichung wird die Geometrie der Anordnung durch den konstanten Geometriefaktor K beschrieben.
Figur 2 zeigt einen mikromechanischen Wärmeleitfähig- keitssensor auf Siliziumbasis. Derartige Sensoren werden zunehmend verwendet und weiterentwickelt, insbesondere, da sie aufgrund der Miniaturisierung einen geringen Leistungsverbrauch haben und eine kurze Ansprechzeit aufweisen. Figur 2 zeigt im unteren Teil eine Draufsicht auf eine derartige Anordnung. Im oberen Teil ist eine Schnittansicht entlang der im unteren mit Pfeilen und einer Strich-Punkt-Linie gekennzeichneten Schnittebene dargestellt. Bei diesen Sensoren sind ein oder mehrere tempe- raturabhängige elektrische Widerstände 124 auf einer thermisch isolierten Membran 122 aufgebracht. Ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand 126 ist außerhalb der Membran 122 aufgebracht; dieser wird für die Messung der Umgebungstemperatur Tu verwendet. Über die elektrischen Anschlüsse 128 wird den temperaturabhängigen Widerständen 124 eine erhöhte Temperatur vermittelt, so dass die Anordnung auf der Membran 122 als Tκ-Sensor wirkt . Für die Ansteuerung der Sensoren werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Entweder wird die Temperaturdifferenz ΔT = Tκ - Tu zwischen Membran und umgebendem Gas konstant gehalten, und die dafür benötigte Heizleistung PH wird gemessen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Heizleistung konstant zu halten; in diesem Fall wird die Temperaturdifferenz gemessen. Bei beiden Verfahren handelt es sich um statische Verfahren. Die Veränderung des dynamischen thermischen Verhaltens des Sensors wird nicht berücksichtigt .
Bei den statischen Verfahren ist die Messung kleiner Widerstandsänderungen erforderlich. Eine Messung von Widerständen erfolgt durch die Messung von Spannungen oder Strömen. Sollen nun diese wärmeleitfähigkeitsabhängigen Spannungs- oder Stromsignale digital weiterverarbeitet werden, so müssen sie nach einer Verstärkung in digitale Signale umgewandelt werden. Dies ist aufwendig, störanfällig und kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil der statischen Messverfahren besteht in dem relativ hohen Leistungsbedarf.
Weiterhin ist es nachteilig, dass bei statischen Messungen für die Konzentrationsbestimmung eines Gasgemisches zumeist bei einer oder mehreren bestimmten Temperaturdifferenzen gearbeitet wird. Es liegt somit keine kontinuierliche Information bezüglich der Wärmeleitfähigkeit in einem breiten Temperaturbereich vor.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch auf, dass die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung stellen und dass Mittel zum Vergleichen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls mit einer Schwel- lenspannung und zum Erzeugen einer sich zeitlich verän- dernden Ausgangsspannung vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, statt einer aufwendigen und störanfälligen Messung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Spannungen und Ströme, die Wärmeleitfähigkeit auf der Grundlage einer Zeitmessung zu bestimmen. Die Wärmeleitfähig- keit lässt sich aus der zeitlichen Charakteristik der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung bestimmen.
Die Erfindung ist besonders dadurch vorteilhaft, dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der tempera- turabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspannung liegt, und dass die Ausgangsspannung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabf ll oberhalb der Schwellenspannung liegt. Bestimmt man in Kenntnis der zeitlichen Veränderung der Heizspannung die Zeiten, zu welchen die Ausgangsspannung den einen oder den anderen Wert hat, so lässt sich hieraus ein Rück- schluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases ziehen .
Es ist vorteilhaft, wenn die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung eine periodisch gepulste Heizspannung zur Verfügung stellen. Durch die gepulste Heizspannung stehen definierte Referenzzeitpunkte zur Verfügung, welche für das Ermitteln des zeitlichen Verlaufs des Span-, nungsabfalls verwendet werden können. Ferner wird aufgrund der Verwendung einer gepulsten Ansteuerung der Leistungsbedarf des Sensors verringert. Dies ist vor allem für Überwachungsaufgaben von Vorteil.
Bevorzugt sind Mittel zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen. Da es auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich ist, analoge Spannungen beziehungsweise analoge Ströme zu messen, sind aufwendige Analog-Digital- Wandler entbehrlich. Vielmehr ist es möglich, die Ausgangsspannung direkt digital auszuwerten.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Mittel zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung einen Zähler aufweisen und wenn ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausgewertet wird. Es werden somit die Zeiträume gemessen, während derer sich die Ausgangsspannung auf ihren unterschiedlichen Werten befindet. Hieraus lassen sich dann die entsprechenden Wärmeleitfähigkeiten berechnen .
Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Erzeugen eines tem- peraturabhängigen Spannungsabfalls einen temperaturabhängigen Widerstand. Bei temperaturabhängigen Widerständen hängt der Spannungsabfall bei gegebenem durch den Widerstand fließenden Strom von der Temperatur ab, so dass der Spannungsabfall ein direktes Maß für die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der temperaturabhängige Widerstand ein Platinwiderstand ist. Platinwiderstände zeigen eine geeignete Variation des Wider- Standes in Temperaturbereichen, welche für viele Anwendungen interessant sind.
Es ist nützlich, dass die Mittel zum Bereitstellen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls auf einer Membran angeordnet sind. Eine solche Membran hat aufgrund ihrer geringen Masse eine vergleichsweise geringe Wärmekapazität, so dass die Anordnung ein gutes Ansprechverhalten aufweist .
Nützlicherweise wirken die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung mit einem Heizwiderstand zusammen. Dies ist eine besonders einfache Weise, eine sich zeitlich verändernde Heizleistung zur Verfügung zu stellen.
Dabei kann es sich unter Umständen als vorteilhaft erweisen, dass die Mittel zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls und der Heizwiderstand identisch sind. Auf diese Weise erreicht man eine Integration von Funktionen in einem einzigen Bauteil, nämlich dem temperaturabhängigen Widerstand. In diesem Fall wird bei der Messung der Membrantemperatur bei einem bekannten Heizstrom die Heizspannung über dem Heizwiderstand ausgewertet. In diesem Fall sollte der Heizstrom während der Abkühlung der Membran allerdings nicht auf Null sinken, damit der für die Messung der Abkühlkurve erforderliche Strom zur Verfügung steht.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung gestellt wird, dass der temperaturabhängige Spannungsabfall mit einer Schwellenspannung verglichen wird und dass eine sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, statt einer aufwendigen und störanfälligen Messung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Spannungen und Ströme, die Wärmeleitfähigkeit auf der Grundlage einer Zeitmessung zu bestimmen. Die Wärmeleitfähigkeit lässt sich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der zeitlichen Charakteristik der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung bestimmen.
Das Verfahren ist besonders dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall unterhalb der . Schwellenspannung liegt, und dass die Ausgangsspannung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt. Bestimmt man in Kenntnis der zeitlichen Veränderung der Heizspannung die Zeiten, zu welchen die Ausgangsspannung den einen oder den anderen Wert hat, so lasst sich hieraus ein Rückschluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Umge- bungsgases ziehen.
Nützlicherweise wird eine periodisch gepulste Heizspannung zur Verfügung gestellt. Durch die gepulste Heizspannung stehen definierte Referenzzeitpunkte zur Verfügung, welche für das Ermitteln des zeitlichen Verlaufs des Spannungsabfalls verwendet werden können. Ferner wird aufgrund der Verwendung einer gepulsten Ansteuerung ein Verfahren mit verringertem Leistungsbedarf zur Verfügung gestellt. Dies ist vor allem für Überwachungsaufgaben von Vorteil.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn die sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung digital ausgewertet wird. Da es auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich ist, analoge Spannungen beziehungsweise analoge Ströme zu messen, sind aufwendige Analog-Digital- Wandler entbehrlich. Das Verfahren bietet vielmehr die Möglichkeit, die Ausgangssignale direkt digital auszuwerten .
Das Verfahren ist dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass zur digitalen* Auswertung der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung ein Zähler verwendet wird und dass ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausgewertet wird. Es werden somit die Zeiträume gemessen, während derer sich die Ausgangsspannung auf ihren unterschiedli- chen Werten befindet. Hieraus lassen sich dann die entsprechenden Wärmeleitfähigkeiten berechnen. Es ist von Vorteil, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall mittels eines temperaturabhangigen Widerstandes erzeugt wird.
Vorzugsweise wird als temperaturabhängiger Widerstand ein Platinwiderstand verwendet. Bei temperaturabhängigen Widerständen hängt der Spannungsabfall bei gegebenem durch den Widerstand fließenden Strom von der Temperatur ab, so dass das Verfahren in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet ist, dass der Spannungsabfall als direktes Maß für die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes verwendet' wird.
Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise so ausgeführt werden, dass zum Bereitstellen einer Heizleistung ein Heizwiderstand verwendet wird. Dies ist eine besonders einfache Weise, eine sich zeitlich verändernde Heizleistung zur Verfügung zu stellen.
Mitunter kann es nützlich sein, dass als temperaturabhängiger Widerstand und als Heizwiderstand derselbe Widerstand verwendet wird. Das Verfahren bietet somit die Möglichkeit, Komponenten zu integrieren.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, anstatt einer aufwendigen und störanfälligen Messung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Spannungen und Ströme, eine Zeitmessung durchzuführen. Auf diese Weise lässt sich direkt eine digitale Auswerteelektronik einsetzen, ohne vor der digitalen Auswertung eine aufwendige Analog-Digital-Wandlung durchzuführen. Durch die Verwendung einer gepulsten Ansteue- rung wird der Leistungsbedarf des Sensors verringert. Die Erfindung ermöglicht es ferner, die Empfindlichkeit der Auswerteelektronik gezielt einem interessierenden Wärmeleitfähigkeitsbereich anzupassen. Somit lassen sich Informationen über die Wärmeleitfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich gewinnen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Dabei zeigt:
Figur 1 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips einer Wärmeleitfähigkeitsmessung;
Figur 2 zeigt den Aufbau eines mikromechanischen Wärmeleitfähigkeitssensors ;
Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Erfindung;
Figur 4 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfindung;
Figur 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erfin- düng; Figur 6 zeigt eine Schaltskizze und zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfindung;
Figur 7 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin- düng;
Figur 8 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfindung;
Figur 9 zeigt ein erstes Ergebnis einer Wärmeleitfähigkeitsmessung;
Figur 10 zeigt ein zweites Ergebnis einer Wärmeleitfähigkeitsmessung; und
Figur 11 zeigt ein drittes Ergebnis einer Wärmeleitfähigkeitsmessung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Erfindung kann im Rahmen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeitsmessungen eingesetzt werden. Insbesondere kann sie für die Auswertung von mikromechanischen Wärmeleitfä- higkeitssensorelementen verwendet werden, die getrennte Heiz- und Membrantemperaturfühlerwiderstände haben. Die Erfindung kann aber auch für Sensorelemente eingesetzt werden, die nur einen Heizwiderstand aufweisen, welcher gleichzeitig als Membrantemperaturfühler verwendet wird. In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen wird die Erfindung anhand eines Sensorelementes mit getrennten Heiz- und Membrantemperaturfühler- widerständen ohne Beschränkung der Allgemeinheit beschrieben.
In Figur 3 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Wärmeleitfähigkeitssensors dargestellt. Ein Heizwiderstand RH wird von einem Strom IH durchflössen, wobei an dem Heizwiderstand RH eine von der Temperatur Tκ abhängige Spannung UH abfällt. Ein weiterer Widerstand Rτκ wird von einem Messstrom IMK durchflössen, wobei an dem Wider- stand Rτκ eine von der Temperatur Tκ des Körpers abhängige Spannung UMK abfällt. Ein dritter Widerstand Rτü wird von einem Strom IMu durchflössen, wobei an dem Widerstand Rτu eine von der Temperatur Tu der Umgebung abhängige Spannung UMU abfällt. Der Widerstand RH dient somit dazu, den Körper auf die Temperatur Tκ zu bringen, während der Widerstand Rτκ einen temperaturabhängigen Spannungsabfall UMκ zur Verfügung stellt.
Figur 4 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin- düng. In Figur 4a ist ein möglicher Verlauf des Heizstroms IH gegen die Zeit t aufgetragen. Der Heizstrom IH hat einen rechteckförmigen Verlauf, wobei er zum Zeitpunkt tl seinen Wert von IH2 auf IH1 ändert; zum Zeitpunkt t2 ändert sich der Wert wiederum auf Iκ2. In Figur 4b sind diesem Heizstrom entsprechende Temperaturverläufe Tκ des erwärmten Körpers, das heißt vorzugsweise der Membran, in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Es sind Verläufe der Temperatur Tκ in Abhängigkeit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten λ des umgebenden Mediums ge- zeigt, wobei gilt λi > λ2 > λ3. Es ist zu erkennen, dass die Membrantemperatur Tκ bei hohem Heizstrom IH2 ansteigt. Wird der Heizstrom zum Zeitpunkt tl auf IHι erniedrigt, so sinkt die Membrantemperatur Tκ wieder ab. Dieses Absinken setzt sich fort, bis der Heizstrom IH zum Zeitpunkt t2 wieder auf IH2 erhöht wird. Der Anstieg der Membrantemperatur Tκ ist umso steiler je niedriger die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases ist. Der Abfall der Membrantemperatur Tκ ist umso steiler je höher die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases ist.
Der Temperaturverlauf während der Aufheizphase gehorcht im Wesentlichen der folgenden Gleichung:
Tκ(t) = PHRth _ e R",Cth
Der Temperaturverlauf während der Abkühlphase verläuft gemäß der nachfolgenden Gleichung:
Tκ(t) = (Tκ,max - T„) ■ e R_
Dabei bezeichnen:
Rh: thermischer Widerstand der Wärmeableitung; Ci-: Wärmekapazität der Membran;
Tκ,maχ: Temperatur der Membran bei Beendigung des Auf- heizvorgangs .
Der thermische Widerstand Rt der Wärmeableitung von der Membran setzt sich aus den thermischen Widerständen der Ableitung in das umgebende Trägermaterial, das heißt beispielsweise Silizium, und in das umgebende Gas zusammen . Wird bei Zuführung einer bekannten Heizleistung die Zeit betrachtet, die der Sensor benötigt, um die Aufheiz- Abkühlkurve zwischen zwei definierten Temperaturen zu durchlaufen, so ist diese Zeit ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums. Somit ist auch die Zeit, während welcher die Temperatur Tκ oberhalb einer Schwellentemperatur Ts liegt, die ebenfalls in Figur 4b eingezeichnet ist, ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Umgekehrt ist auch die Zeit, während welcher die Temperatur Tκ unterhalb der Schwellentemperatur Ts liegt, ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit λ. Somit kann die Messung dieser Zeit genutzt werden, um eine direkte Messung des Membrantemperaturfühlerwiderstandes oder des Heizwider- Standes zu umgehen. Eine derartige Zeitmessung ist mit einer digitalen Auswerteschaltung leicht möglich.
Figur 5 zeigt den Spannungsverlauf ÜMK in Abhängigkeit der Zeit t an einem temperaturabhängigen Widerstand, der den in Figur 4b dargestellten Temperaturänderungen ausgesetzt ist. Wiederum sind drei Kurven in das Diagramm gemäß Figur 5 eingezeichnet, wobei diese den Spannungsverlauf für verschiedene Wärmeleitfähigkeiten λi > λ2 > λ3 zeigen. Für die Fertigung der Widerstände kann beispiels- weise Platin verwendet werden, welches einen von der Temperatur abhängigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. Messtechnisch kann somit ein Schwellenwert Us für die an dem temperaturabhängigen Widerstand abfallende Spannung UMK festgelegt werden. Dieser Schwel- lenwert wird dann zur Bestimmung der Zeiten verwendet, die letztlich digital ausgewertet werden. Bei hoher Leitfähigkeit des Umgebungsgases, beispielsweise bei einer Leitfähigkeit entsprechend der unteren Kurve in Figur 5, ist die Zeit kurz, während welcher die Spannung UMK oberhalb des Schwellenwertes Us liegt. Eine kurze Zeit oberhalb des Schwellenwertes lässt somit einen Rückschluss auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases zu. Umgekehrt ist bei niedriger Wärmeleitfähigkeit des Umge- bungsgases der Schwellenwert Us während eines langen Zeitraums überschritten, so dass hieraus auf eine niedrige Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases rückgeschlossen werden kann.
Figur 6 zeigt eine Schaltungsskizze einer Schaltung zur Auswertung der Aufheiz-Abkühlkurve. Die Schaltung gemäß Figur 6a umfasst einen ersten Stromkreis mit einem Diffe- renzverstärker 10, einem Heizwiderstand 20 und einem weiteren Widerstand 30. Dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 10 wird eine Eingangsspannung UEin eingegeben, welche vorzugsweise eine periodische Rechteckform besitzt, wie dies in Figur 6b dargestellt ist. In Figur 6b ist UEιn gegen t aufgetragen. Der negative Eingang des Differenzverstärkers 10 ist über den Widerstand 30 geerdet. Der Ausgang des Differenzverstärkers 10 liefert einen Heizstrom IH, welcher durch den Widerstand 20 fließt, der einen Wert RH aufweist. Dieser Wert ist im Allgemeinen temperaturabhängig. Der Stromkreis wird durch eine Verbindung des Widerstandes 20 mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 10 geschlossen. Somit steht eine Schaltung zur Verfügung, welche periodische Temperaturschwankungen erzeugt, wobei die Periode von dem Verlauf der Eingangsspannung UE-.n bestimmt wird. Ein weiterer Stromkreis der Schaltung gemäß Figur 6a umfasst eine Stromquelle 12, welche einen Messstrom IMκ liefert. Dieser Messstrom IMK wird im Wesentlichen durch einen Widerstand 18 geleitet, welcher mit Erde verbunden ist und einen temperaturabhängigen Wert Rτκ aufweist. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 18 wird gemessen, indem ein Pol des Widerstandes 18 über einen Widerstand 34 mit dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers 36 verbunden ist. Ein weiterer Pol des Widerstandes 18 ist über einen Widerstand 38 mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 36 verbunden. Der positive Ein- gang des Differenzverstärkers 36 ist ferner über einen weiteren Widerstand 40 mit Erde verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 36 wird über einen Rückkopplungswiderstand 42 auf den negativen Eingang des Differenzverstärkers 36 zurückgeführt. Ebenfalls wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 36 dem positiven Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 14 zugeführt. Dem negativen Eingang dieses weiteren Differenzverstärkers 14 wird von einer Spannungsquelle 46 eine Schwellenspannung Us zugeführt. Auf diese Weise wird eine Aus- gangsspannung UÄUs am Ausgang 14 des Differenzverstärkers 14 erzeugt, deren Periode von der Eingangsspannung UEιn gemäß Fig. 6b abhängt, wobei allerdings das Tastverhältnis von dem Vergleich des aufgrund des Spannungsabfalls am Widerstand 18 erzeugten Signals mit der Schwellenspan- nung abhängt. Die Ausgangsspannung UAUS wird Mitteln 16 zum digitalen Auswerten zugeführt. Der Verlauf der Ausgangsspannung mit einer beispielhaften Variationsbreite ist in Figur 6c dargestellt, wo UÄUs gegen t aufgetragen ist.
In Figur 7 ist in zwei Diagrammen die Abhängigkeit des Tastverhältnisses der Ausgangsspannung UAUs bei konstanter Periode der Eingangsspannung UΞin verdeutlicht. Im oberen Teil sind die Spannungsverläufe von UEιn und UA0S gegen die Zeit aufgetragen, wobei hier die Umgebung eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Wenn UEin ein hohes Niveau annimmt, so wird bei niedriger Wärmeleitfähigkeit λ2 rasch eine hohe Spannung an dem Widerstand 18 gemäß Figur 6 abfallen. Diese Spannung wird frühzeitig den Schwellenwert Us überschreiten, so dass die Ausgangsspannung UÄUs ebenfalls frühzeitig ihren oberen Wert annimmt. Nach dem Zeitpunkt tl, zu dem die Eingangsspannung UEin auf einen niedrigen Wert beziehungsweise auf Null gebracht wird, dauert es eine vergleichsweise lange Zeit, bis die über dem Widerstand 18 gemäß Figur 6 abfallende Spannung wieder unter den Schwellenwert Us abfällt, so dass auch die Ausgangsspannung UAos erst nach einer vergleichsweise langen Zeit wieder auf ihren unteren Wert abfällt. Bei einer höheren Wärmeleit ähigkeit des umgebenden Mediums (Gasgemisches) erhöht sich die Temperatur des Widerstandes 18 gemäß Figur 6 langsamer, so dass es auch länger dauert, bis die an dem Widerstand 18 gemäß Figur 6 abfallende Spannung den Schwellenwert Us überschreitet. Demzufolge nimmt die Ausgangsspannung UAUs erst nach einer vergleichsweise langen Zeit ihren oberen Wert an, wie es im unteren Teil von Figur 7 zu erkennen ist. Nach dem Umschalten der Eingangsspannung UEin auf einen niedrigen Wert oder auf Null zum Zeitpunkt tl geht auch die Ausgangsspannung UAös rasch auf ihren unteren Wert, da die an dem temperaturabhängigen Widerstand 18 abfallende Spannung rasch wieder unter den Schwellenwert Us abfällt. Die Länge des Ausgangsspannungssignals UAUs is somit ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases . Durch eine geeignete Wahl der Periodendauer der Eingangsspannung UEin und der Höhe der Schwellenspannung Us ist eine Einstellung der Empfindlichkeit des Tastverhältnisses auf Wärmeleitfähigkeitsänderungen möglich. Schwankun- gen der Umgebungstemperatur können durch eine von der Umgebungstemperatur abhängige Lage der Schwellenwertspannung kompensiert werden.
An dieser Stelle wird auch besonders deutlich, dass ge- genüber einem statischen Betrieb des Sensors eine stark verringerte Heizleistung in Abhängigkeit der Periodendauer und des Tastverhältnisses des rechteckförmigen Heizstroms erreicht werden kann.
Figur 8 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung einer anderen Auswertemöglichkeit der Aufheiz-Abkühlkurve. Bei der Auswertung gemäß Figur 8 wird nur der Aufheiz-Teil der Aufheiz-Abkühlkurve verwendet. Die nachfolgende Erläuterung dieses Auswerteverfahrens ist exemplarisch für die Auswertung eines Teils der Aufheiz-Abkühlkurve, da beispielsweise auch ausschließlich der Abkühl-Teil der Aufheiz-Abkühlkurve für die Auswertung verwendet werden kann. Im oberen Teil von Figur 8 sind Spannungen beziehungsweise ein Strom in Abhängigkeit der Zeit t aufgetra- gen. Wiederum ist der Zeitpunkt tl der Zeitpunkt des periodischen "Abschaltens" der Eingangsspannung UE n, während der Zeitpunkt t2 der Zeitpunkt des periodischen "Einschaltens" der Eingangsspannung UEin ist. Der Heizstrom IH hat einen entsprechenden Verlauf.
Im unteren Teil von Figur 8 ist die an dem temperaturabhängigen Widerstand 18 abfallende Spannung UMK gegen die Zeit t aufgetragen. Die unterschiedlichen Spannungsverläufe hängen von den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten λ des Umgebungsgases ab. Bei hoher Wärmeleitfähigkeit λi steigt die Spannung UMK langsam an, wie es im Zusam en- hang mit Figur 5 erläutert wurde. Bei niedrigerer Wärmeleitfähigkeit λ2 findet ein schnellerer Anstieg der Spannung UMK statt. Ein nochmals schnellerer Anstieg findet bei einer Wärmeleitfähigkeit λ3 statt, welche geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit λ2. Folglich wird bei hoher Wärmeleitfähigkeit der Schwellenwert Us, welcher im unteren Teil der Figur 8 eingezeichnet ist, zu einem späten Zeitpunkt überschritten, das heißt zu einem Zeitpunkt, welcher nahe bei dem Zeitpunkt tl liegt. Folglich erreicht die Ausgangsspannung UAUs zu einem Zeitpunkt kurz vor dem Zeitpunkt tl das hohe Niveau. Bei höherer Wärmeleitfähigkeit λ2 des Umgebungsgases erreicht die Spannung UMK früher den Schwellenwert Us. Folglich erlangt auch die Ausgangsspannung Us früher das hohe Niveau. Bei noch höherer Spannung erreicht die Spannung UMK noch früher den Schwellenwert Us. Auch die Ausgangsspannung erreicht mithin zu einem sehr frühen Zeitpunkt vor tl das hohe Niveau. Bezeichnet man den Zeitraum zwischen dem Übergang der Ausgangsspannung von niedrigem Niveau auf hohes Niveau und dem Zeitpunkt tl mit ΔTHιgh. so lässt sich durch die Messung der Werte für ΔTHιgh auf die Wärmeleitfähigkeiten des Umgebungsgases rückschließen.
In den Figuren 9 bis 11 sind drei Auswerteergebnisse mikromechanischer Wärmeleitfähigkeitssensoren darge- stellt, welche auf der vorliegenden Erfindung basieren.
Die unterschiedlichen Signale, welche in den Figuren 9 bis 11 dargestellt sind, können unterschiedlich skaliert sein, obwohl sie in demselben Diagramm dargestellt sind.
Figur 9 zeigt ein Auswerteergebnis mit reiner Luft als Umgebungsgas. Es liegt somit ein System mit vergleichsweise geringer Wärmeleitfähigkeit vor. Die Eingangsspan- nung UEιn ist eine Rechteckspannung. Die über dem temperaturabhängigen Widerstand 18 gemäß Figur 6 abfallende Spannung UMK steigt mit dem "Einschalten" der Eingangs- Spannung UEιn an, und sie erreicht sehr schnell die Schwellenspannung Us • Die Ausgangsspannung liegt daher auch praktisch unmittelbar nach dem Einschalten der Eingangsspannung UEin auf hohem Niveau. Nach dem Ausschalten der Eingangsspannung UEin sinkt auch die Spannung über dem Widerstand 18 gemäß Figur 6 ab. Allerdings sinkt sie erst sehr spät unter die Schwellenspannung Us ab. Die Ausgangsspannung -kann daher auch erst sehr spät den niedrigen Wert annehmen. In der Darstellung gemäß Figur 9 ist es sogar so, dass das Abfallen der Ausgangsspannung nur als kurzer "Zacken" des Ausgangsspannungsverlaufes zu erkennen ist. Das Tastverhältnis der Ausgangsspannung beträgt somit nahezu 100%. Eine solche Einstellung der Schwellenspannung Us und der Periodendauer der Eingangs- spannung UEj.n bietet sich an, wenn Beimischungen von Gasen zu Luft untersucht werden sollen. Es liegt somit von vornherein eine Normierung der Auswerteergebnisse vor.
Figur 10 zeigt Messergebnisse für ein Umgebungsgas, welches aus 50 Vol.-% Luft und 50 Vol.-% Helium besteht. Das Gas weist aufgrund des Heliumanteils eine im Vergleich zu reiner Luft stark vergrößerte Wärmeleitfähigkeit auf. Aus diesem Grund steigt die Kurve UMK in Figur 10 langsamer an als die Kurve UHK in Figur 9, so dass der Schwellenwert Us von der Spannung Um erst später erreicht wird, als im Fall von Figur 9 bei reiner Luft. Folglich nimmt auch die Ausgangsspannung UAUs erst zu einem späteren Zeitpunkt den oberen Wert an. Nach dem "Ausschalten" der Eingangsspannung UEln sinkt die Spannung UMK wieder ab. Wenn sie die Schwellenspannung Us unterschreitet geht auch die Ausgangsspannung auf ihren unteren Wert zurück. Es liegt ein mittleres Tastverhältnis der Ausgangs span- nung UAüε vor.
In Figur 11 sind Auswertungsergebnisse für reines Helium dargestellt. Es liegt somit ein Gas mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit vor. Demzufolge ist die Ausgangsspan- nung UAÜS während einer vergleichsweise kurzen Zeit auf hohem Niveau und für eine längere Zeit auf niedrigem Niveau.
Dem Fachmann ist klar, dass mit der vorliegenden Erfin- düng nicht nur die Wärmeleitfähigkeit von Gasen und Gasgemischen, sondern auch diejenige von anderen Medien, beispielsweise von Flüssigkeiten, gemessen werden kann.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit
- Mitteln (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung,
Mitteln (12) zum Bereitstellen eines Messstroms und
Mitteln (18) zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel (10) zum Bereitstellen einer Heiz- Spannung eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung stellen und
dass Mittel (14) zum Vergleichen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls mit einer Schwellenspannung und zum Erzeugen einer sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspannung liegt, und dass die Ausgangsspannung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung eine periodisch gepulste Heizspannung zur Verfügung stellen.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (16) zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel (16) zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung einen Zähler aufweisen und
dass ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausgewertet wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,_ dass die Mittel zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls einen temperaturabhängigen Widerstand (18) umfassen.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand (18) ein Platinwiderstand ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (18) zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls auf einer Membran angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung mit einem Heizwiderstand (20) zusammenwirken.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls und der Heizwiderstand identisch sind.
11. Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit den Schritten:
Bereitstellen einer Heizspannung,
- Bereitstellen eines Messstroms und
Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung gestellt wird, dass der temperaturabhängige Spannungsabfall mit einer Schwellenspannung verglichen wird und
- dass eine sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung erzeugt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspannung liegt, und
dass die Ausgangsspannung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodisch gepulste Heizspannung zur Verfügung gestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung digital ausgewertet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
dass zur digitalen Auswertung der sich zeitlich ver- ändernden Ausgangsspannung ein Zähler verwendet wird und dass ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausgewertet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Spannungsabfall mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes (18) erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturabhängiger Widerstand
(18) ein Platinwiderstand verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen einer Heizleistung ein Heizwiderstand (20) verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturabhängiger Widerstand und als Heizwiderstand' derselbe Widerstand verwendet wird.
20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeich- net, dass die Wärmeleitfähigkeit eines Gases gemessen wird.
21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas ein Gasgemisch ist.
22. Verwendung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine quantitative Analyse eines Gasgemisches durchgeführt wird.
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