WO2014139786A1 - Thermischer strömungssensor zur bestimmung eines gases oder der zusammensetzung eines gasgemisches, sowie dessen strömungsgeschwindigkeit - Google Patents

Thermischer strömungssensor zur bestimmung eines gases oder der zusammensetzung eines gasgemisches, sowie dessen strömungsgeschwindigkeit Download PDF

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Christoph Hepp
Florian Krogmann
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Innovative Sensor Technology Ist Ag
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    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector

Definitions

  • Thermal flow sensor for determining a gas or the composition of a gas mixture, and its flow velocity
  • the invention relates to a thermal flow sensor for determining a gas or the composition of a gas mixture, as well as its
  • Thermal flow sensors are well known in the art.
  • Such sensors are used, for example, to determine a
  • Properties of the gas to react by being used is an accurate or accurate determination of the flow rate as the thermal changes
  • Flow sensor is recalibrated.
  • a further sensor is used for this purpose, which instead of the flow velocity determines the present gas or the composition of the gas mixture so as to determine the thermal properties of the gas or gas mixture on which the determination of the flow velocity is based.
  • this requires a further sensor without which recalibration would not be feasible.
  • a recalibration can be carried out by means of special software.
  • the present gas or the composition of the gas mixture must be entered into the software.
  • the disadvantage is thus that a further step on the part of the operator, namely the manual input, must be performed.
  • the object is achieved by a thermal flow sensor and a flow meter.
  • the thermal flow sensor for determining a gas or the Composition of a gas mixture, and its flow rate comprises:
  • At least one heating structure which is applied to the first dielectric layer and serves to heat the gas or the gas mixture
  • At least one first temperature sensor element which is applied to the first dielectric layer at a distance from the heating structure and detects the temperature of the gas or gas mixture heated on the heating structure;
  • control device which controls the heating structure in a first operating state such that the heating structure has a predetermined temperature and in a second operating state controls the heating structure in such a way that a power supplied to the heating structure corresponds to a predetermined power
  • An evaluation unit which determines by means of the operating conditions, at least one physical property of the present gas or the gas mixture (2) and determines based on this physical property, the present gas or the composition of the gas mixture (2) and its flow velocity.
  • the object is achieved in that the thermal
  • Flow sensor determines the present gas or the composition of the gas mixture and at the same time the flow rate depending on the gas present or the composition of the gas mixture.
  • the thermal flow sensor determines a physical property, preferably the thermal conductivity, of the gas or gas mixture and determines by means of which the present gas or gas mixture and its flow velocity.
  • Composition of the gas mixture can be avoided, since a change in the gas or the composition of the gas mixture also leads to a change in the thermal conductivity by which the present gas or gas mixture is determined.
  • the thermal flow sensor to a control device which is switchable at least between two operating states, wherein in the second
  • the power supplied to the heating structure is constantly controlled to a predetermined power, so as to determine the present gas or the composition of a gas mixture and in the first operating state based on the determined present gas or the determined composition of a gas mixture regulates the temperature of the heating structure such that the Heating structure a predetermined Temperature, so that the gas to be heated or gas mixture corresponds at least in the area around the heating structure of a predetermined gas temperature.
  • the regulating device regulates the temperature of the heating structure, for example by means of a DC voltage signal or alternatively an AC voltage signal,
  • the heating structure has a predetermined temperature.
  • DC voltage signal can be set the predetermined temperature directly by the DC signal, whereas in an AC signal, the predetermined temperature can be set on the average value of the AC signal.
  • the thermal flow sensor is thus self-calibrating. In this way, a false measurement of the flow velocity can be avoided when the
  • composition of the gas mixture on the basis of the measured thermal conductivity determined in terms of concentration and that for the concentration determination of the
  • composition of the gas mixture the individual components of the gas mixture of the evaluation must be known.
  • concentration determination of the composition of the gas mixture to 5% accuracy, the
  • Flow rate can be determined to 10% of the measured value, preferably 5% of the measured value.
  • thermal flow sensors for example, in
  • Biogasanalgen be used to determine there in addition to the flow rate and the volume fraction of methane, so that it can be concluded on the calorific value of the gas.
  • Composition of a gas mixture is also advantageous in the field of medical technology, for example in spirometers for checking lung function and vital capacity. • In the area of air conditioning technology, it is also conceivable to measure the amount of air and the composition (CO content) of the air flowing out of the room at the same time, in order to allow an optimal admixing of fresh air.
  • a further advantageous embodiment provides that the substrate has a recess at least in a first region, such that the first dielectric layer forms a membrane on the substrate at least in the first region and that the at least one heating structure in the first region acts as a membrane formed first dielectric layer is arranged.
  • the heating structure is better thermally decoupled from the rest of the sensor, so as to be able to perform the most sensitive, fast and accurate measurement.
  • Temperature sensor element is applied to the first dielectric layer.
  • the embodiment provides that the heating structure along a
  • the embodiment provides that the second temperature sensor element is formed from a material which has a
  • Resistance temperature coefficient in the range of 1000-1 1000 ppm / Kelvin preferably in the range of 2000-11000 ppm / Kelvin, more preferably in the range of 3000-1 1000 ppm / Kelvin.
  • the heating structure and the first temperature sensor element are each formed from a material having a resistance temperature coefficient in the range of 1000-1 1000 ppm / Kelvin, preferably in the range of 2000-11000 ppm / Kelvin, particularly preferred in the range of 3000-1000 ppm / Kelvin.
  • the embodiment provides that the
  • Heating structure made of nickel or platinum is formed.
  • the measurement of the temperature can be saved directly to the heating structure, as this temperature on the ohmic resistance of the heating structure and the can calculate known value of the resistance-temperature coefficient and thus can be determined.
  • the heating structure and the first temperature sensor element is made of one and the same material, preferably platinum. It is also conceivable, however, for the heating structure made of platinum and the first temperature sensor element made of nickel to be made of different materials.
  • the control device keeps the ratio between the supplied power and the predetermined temperature substantially constant. In this way, the measurement result disturbing influences, such as. Temperature fluctuations,
  • Temperature sensor element bypassing gas by means of at least a first response signal and a second response signal detects that the first response signal originates from the first temperature sensor element and the second response signal from the second temperature sensor element.
  • the embodiment provides that the evaluation unit for determining the flow velocity compares the first and / or second response signal with first reference values. It is further provided that the evaluation unit for determining the present gas or the composition of the gas mixture compares the first and / or second response signal with second reference values.
  • This alternating voltage signal is used to generate a phase shift between the excitation signal and the first and / or second response signal that the evaluation unit determines the phase shift between the excitation signal and the first and / or second response signal.
  • the evaluation unit performs a verification or verification of the previously determined gas or the previously determined composition of the gas mixture and its flow rate. As an alternative to the just described verification or verification, it may be provided that the evaluation unit is based on the
  • Phase shift determines a further physical property of the present gas or gas mixture.
  • the further physical property represents the thermal diffusivity of the present gas or gas mixture.
  • the thermal conductivity the specific thermal conductivity, can also be used.
  • Heat capacity, the density and the dynamic or kinematic viscosity are determined.
  • first dielectric layer and / or the second dielectric layer have a layer thickness of less than 100 micrometers, preferably less than 50 micrometers, more preferably less than 15 micrometers exhibit.
  • the layer thickness both in the first dielectric layer and in the second dielectric layer represents a compromise between mechanical stability and the heat transfer through these layers.
  • first and the second dielectric layer are formed from the same material.
  • the first and second dielectric layers are formed of a polymer.
  • the object is achieved by a flow meter with a thermal flow sensor according to at least one of the preceding embodiment.
  • FIG. 1 shows a cross section of an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows an electrical circuit diagram of the control device and a voltage divider which serves to detect a response signal
  • FIG. 3 a first measuring curve comprises the first reference values
  • FIG. 1 shows a cross section of an embodiment of the invention
  • the thermal flow sensor 1 a substrate 3, on which a first dielectric layer 6 is applied. Furthermore, the substrate 3 has a recess 5 in a first region 4, so that the first dielectric layer in the first region 4 forms a membrane 7 on the substrate 3. On this membrane 7, a heating structure 8 is applied such that it extends between a first and a second temperature sensor element 9, 10 along the flow direction of
  • Gas or the gas mixture 2 is located and serves to heat the gas or gas mixture 2.
  • the two temperature sensor elements 9, 10 are likewise applied to the first dielectric layer 6 and preferably arranged such that they lie in the first region 4. By means of these two temperature sensor elements 9, 10, the temperature of the heated gas to the heating structure 8 or gas mixture 2 is detected.
  • a second dielectric layer 16 is applied to the first dielectric layer 6. To determine a gas or the composition of a gas mixture 2, the the side facing away from the substrate 3 of the second dielectric layer 18 exposed to the flowing gas or gas mixture 2.
  • the thermal flow sensor 1 further comprises a control device 1 1, which controls the heating structure 8 with an excitation signal 12 and in a first
  • Operating state controls such that the heating structure has a predetermined temperature and the heating structure 8 controls in a second operating state such that a power supplied to the heating structure 8 is controlled substantially to a predetermined power.
  • the control device thus controls by means of the heating structure in the first operating state, the gas temperature of the gas or gas mixture to the predetermined temperature.
  • the control device In the second operating state, the control device essentially regulates the power supplied to the heating structure to the predetermined power, which is typically constant at least in the mean value.
  • the excitation signal 13 represents an alternating voltage signal which, for example, has an excitation frequency of 1 Hz.
  • the predetermined temperature in the first operating state represents a constant excess temperature of the gas or gas mixture relative to the ambient temperature in the range of 120 ° C and if the predetermined power in the second operating state has a peak-to-peak value of 20 mW (milliwatts).
  • the excitation frequency, the predetermined temperature and the peak-to-peak value of the alternating voltage signal can vary depending on the gas or gas mixture 2 present.
  • the control device 1 1 holds in a third operating state, the ratio between the supplied power and the predetermined temperature substantially constant.
  • control device 1 1 is designed to be switchable, so that it can be switched between the individual operating states.
  • the thermal flow sensor 1 in addition to an evaluation unit 12, by means of the individual operating conditions, at least the present gas or the composition of the gas mixture 2, and the
  • the thermal flow sensor measures the thermal conductivity of the gas or
  • the evaluation unit 12 detects the temperature of the gas or gas mixture 2 flowing past the first temperature sensor element 9 by means of a first response signal 14 and the temperature of the gas or gas mixture 2 flowing past the second temperature sensor element 10 by means of a second response signal 15
  • Flow rate compares the evaluation unit 12 either the first Response signal 14 with first reference values 16 or the second response signal 15 with the first reference values 16 individually or else the first and the second
  • the evaluation unit 12 compares either the first response signal 14 with second reference values 17 or the second response signal 15 with the second reference values 17 or the first and the second response signal 14, 15 with the second reference values 17, the first reference values 16 differing from the second reference values 17.
  • the composition of the gas mixture 2 which is preferably a binary gas mixture, such as, for example, an argon-helium mixture, the must
  • Evaluation unit 12 the individual components, so in the case of helium and argon, be known so that the concentration composition of the (binary)
  • FIG. 2a shows an electrical circuit diagram of the control device 1 1 and Fig. 2b) a voltage divider which serves to detect the response signals 14, 15.
  • Control device 1 1 represents in the simplest case, a voltage divider, wherein the ohmic heating resistor of the heating structure 8 is shown with R H and the heating resistor is a series resistor RVH upstream of the heating structure 8.
  • Total voltage for the heating structure U H can thus generate the excitation signal 13, which as already mentioned represents an AC signal having a peak-peak value of 20 mW.
  • excitation signal 13 comes both a sine wave voltage, a square wave voltage as well as any other form of a
  • Fig. 2b shows a voltage divider which serves to detect a response signal 14, 15.
  • the evaluation unit 12 thus comprises at least one voltage divider for each temperature sensor element 9, 10.
  • FIG. 2b) shows the ohmic resistance of the temperature sensor element with R T.
  • the voltage divider comprises a series resistor RVT and is operated with a total voltage UT, wherein the total voltage U T represents a DC voltage.
  • the first response signal 14 is tapped off over the resistance of the temperature sensor element RT.
  • 3 shows a first measurement curve, which comprises the first reference values 16 required for determining the flow velocity of the gas or of the gas mixture 2.
  • 4 shows a second measuring curve on the basis of which the determination of the present gas or the composition of the gas mixture 2 can be carried out.

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Abstract

Thermischer Strömungssensor (1) zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches (2), sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit umfassend: - ein Substrat (3), auf dem zumindest eine erste dielektrische Schicht (6) aufgebracht ist; - zumindest eine Heizstruktur (8), die auf die erste dielektrische Schicht (6) aufgebracht ist und dazu dient das Gas oder das Gasgemisch (2) zu erhitzen; - zumindest ein erstes Temperatursensorelement (9),das beabstandet von der Heizstruktur (8) auf der ersten dielektrischen Schicht (6) aufgebracht ist und die Temperatur des an der Heizstruktur (8) erhitzten Gases oder Gasgemisches (2) erfasst; - eine Regelungsvorrichtung (11), die in einem ersten Betriebszustand die Heizstruktur (8) derartig regelt, dass die Heizstruktur eine vorgegebene Temperatur aufweist und in einem zweiten Betriebszustand die Heizstruktur (8) derartig regelt, dass eine der Heizstruktur (8) zugeführte Leistung einer vorgegebenen Leistung entspricht; - eine Auswerteeinheit (12), die mittels der Betriebszustände zumindest eine physikalische Eigenschaft des vorliegenden Gases oder des Gasgemisches (2) ermittelt und anhand dieser physikalischen Eigenschaft das vorliegende Gas oder die Zusammensetzung des Gasgemisches (2) sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.

Description

Thermischer Strömungssensor zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches, sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit
Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Strömungssensor der zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches, sowie dessen
Strömungsgeschwindigkeit dient.
Thermische Strömungssensoren sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt.
Derartige Sensoren werden beispielsweise zur Bestimmung einer
Strömungsgeschwindigkeit eines Gases eingesetzt. Da thermische Strömungssensoren physikalisch bedingt neben der Strömungsgeschwindigkeit auch auf thermische
Eigenschaften des Gases indem sie eingesetzt werden reagieren, ist eine exakte bzw. genaue Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit bei sich ändernden thermischen
Eigenschaften des Gases nicht mehr möglich. Derartige Änderungen der thermischen Eigenschaften können im Messbetrieb eines Strömungssensors auftreten, wenn beispielsweise sich die Zusammensetzung eines Gasgemisches oder aber das Gas an sich ändert.
Abhilfe wird diesem Nachteil geleistet, indem der eingesetzte thermische
Strömungssensor rekalibriert wird. Typischerweise wird hierzu ein weiterer Sensor eingesetzt, der anstelle der Strömungsgeschwindigkeit das vorliegende Gas bzw. die Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt, um so die der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit zugrunde liegenden thermischen Eigenschaften des Gases bzw. Gasgemisches zu ermitteln. Hierfür ist, wie bereits erwähnt, jedoch ein weiterer Sensor nötig, ohne den eine Rekalibrierung nicht durchführbar wäre.
Alternativ kann eine Rekalibrierung mittels einer speziellen Software durchgeführt werden. Hierzu muss in die Software das vorliegende Gas oder die Zusammensetzung des Gasgemisches eingegeben werden. Nachteilig ist somit, dass ein weiterer Schritt seitens des Bedieners, nämlich die manuelle Eingabe, durchgeführt werden muss.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen thermischen Strömungssensor vorzuschlagen, welcher eine erhöhte Bedienerfreundlichkeit aufweist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen thermischen Strömungssensor und ein Strömungsmessgerät gelöst.
Hinsichtlich des thermischen Strömungssensors wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der thermische Strömungssensor zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches, sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit folgendes umfasst:
- ein Substrat auf dem zumindest eine erste dielektrische Schicht aufgebracht ist;
- zumindest eine Heizstruktur die auf die erste dielektrische Schicht aufgebracht ist und dazu dient das Gas oder das Gasgemisch zu erhitzen;
- zumindest ein erstes Temperatursensorelement, das beabstandet von der Heizstruktur auf der ersten dielektrischen Schicht aufgebracht ist und das die Temperatur des an der Heizstruktur erhitzten Gases oder Gasgemisches erfasst;
- eine Regelungsvorrichtung, die in einem ersten Betriebszustand die Heizstruktur derartig regelt, dass die Heizstruktur eine vorgegebene Temperatur aufweist und in einem zweiten Betriebszustand die Heizstruktur derartig regelt, dass eine der Heizstruktur zugeführte Leistung einer vorgegebenen Leistung entspricht;
- eine Auswerteeinheit, die mittels der Betriebszustände zumindest eine physikalische Eigenschaft des vorliegenden Gases oder des Gasgemisches (2) ermittelt und anhand dieser physikalischen Eigenschaft das vorliegende Gas oder die Zusammensetzung des Gasgemisches (2) sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der thermische
Strömungssensor das vorliegende Gas oder die Zusammensetzung des Gasgemisches und gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit des vorliegenden Gases oder der Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt. Hierzu ermittelt der thermische Strömungssensor eine physikalische Eigenschaft, vorzugsweise die Wärmeleitfähigkeit, des Gases oder Gasgemisches und bestimmt anhand derer das vorliegende Gas oder Gasgemisch sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit.
Derartige thermische Strömungssensoren weisen den Vorteil auf, dass Fehlmessungen der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Veränderung des Gases oder der
Zusammensetzung des Gasgemisches vermieden werden können, da eine Veränderung des Gases oder der Zusammensetzung des Gasgemisches auch zu einer Veränderung der Wärmeleitfähigkeit führt anhand derer das vorliegende Gas oder Gasgemisch bestimmt wird.
Hierfür weist der thermische Strömungssensor eine Regelungsvorrichtung auf, die zumindest zwischen zwei Betriebszustände umschaltbar ist, wobei im zweiten
Betriebszustand die der Heizstruktur zugeführte Leistung konstant auf eine vorgegebene Leistung geregelt wird, um so das vorliegende Gas oder die Zusammensetzung eines Gasgemisches zu ermitteln und im ersten Betriebszustand anhand des ermittelten vorliegenden Gases oder der ermittelten Zusammensetzung eines Gasgemisches die Temperatur der Heizstruktur derartig regelt, dass die Heizstruktur eine vorgegebene Temperatur aufweist, so dass das zu erhitzende Gas oder Gasgemisch zumindest in dem Bereich um die Heizstruktur einer vorgegebenen Gastemperatur entspricht.
Die Regelungsvorrichtung regelt in dem ersten Betriebszustand die Temperatur der Heizstruktur, beispielsweise mittels eines Gleichspannungssignals oder aber auch eines Wechselspannungssignals,
derartig, dass die Heizstruktur eine vorgegebene Temperatur aufweist. Bei einem
Gleichspannungssignal lässt sich die die vorgegebene Temperatur direkt durch das Gleichspannungssignal einstellen, wohingegen bei einem Wechselspannungssignal sich die vorgegeben Temperatur über den Mittelwert des Wechselspannungssignals einstellen lässt.
Durch den Rückschluss auf das vorliegende Gas oder die Gaszusammensetzung ist der thermische Strömungssensor somit selbstkalibrierend. Auf diese Weise kann eine Fehlmessung der Strömungsgeschwindigkeit vermieden werden, wenn sich die
Gaszusammensetzung geändert hat.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinheit die
Zusammensetzung des Gasgemisches anhand der gemessenen Wärmeleitfähigkeit konzentrationsmäßig bestimmt und dass zur konzentrationsmäßigen Bestimmung der
Zusammensetzung des Gasgemisches die einzelnen Bestandteile des Gasgemisches der Auswerteeinheit bekannt sein müssen. Durch die konzentrationsmäßige Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches auf 5 % Genauigkeit kann die
Strömungsgeschwindigkeit bis auf 10% vom Messwert, vorzugsweise 5% vom Messwert bestimmt werden.
Die Möglichkeit der konzentrationsmäßigen Bestimmung des vorliegenden Gasgemisches und die gleichzeitig Bestimmung dessen Strömungsgeschwindigkeit eröffnet weitere Anwendungsfelder:
• So können derartige thermische Strömungssensoren beispielsweise in
Biogasanalgen eingesetzt werden, um dort neben der Strömungsgeschwindigkeit auch den Volumenanteil an Methan zu bestimmen, so dass auf den Brennwert des Gases geschlossen werden kann.
• Eine gleichzeitige Messung der Strömungsgeschwindigkeit und der
Zusammensetzung eines Gasgemisches ist auch im Bereich der Medizintechnik vorteilhaft, beispielsweise bei Spirometern zur Überprüfung der Lungenfunktion und Vitalkapazität. • Denkbar ist auch im Bereich der Klimatechnik die gleichzeitige Messung der Luftmenge und der Zusammensetzung (CO Anteil) der aus dem Raum ausströmenden Luft, um so eine optimale Zumischung an Frischluft zu ermöglichen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Substrat zumindest in einem ersten Bereich eine Aussparung aufweist, so dass die erste dielektrische Schicht zumindest in dem ersten Bereich auf dem Substrat eine Membran ausbildet und dass die zumindest eine Heizstruktur in dem ersten Bereich auf der als Membran ausgebildeten ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist. Durch die Erzeugung einer Membran und der Anordnung der Heizstruktur auf dieser Membran, wird die Heizstruktur besser wärmetechnisch von dem Rest des Sensors entkoppelt, um so eine möglichst sensitive, schnelle und präzise Messung durchführen zu können. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass ein zweites
Temperatursensorelement auf der ersten dielektrischen Schicht aufgebracht ist.
Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass die Heizstruktur entlang einer
Strömungsrichtung des Gases oder des Gasgemisches zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensorelementen angeordnet ist. Ferner sieht die Ausgestaltung vor, dass das zweite Temperatursensorelement aus einem Material ausgebildet ist, welches einen
Widerstands-Temperaturkoeffizienten im Bereich von 1000-1 1000 ppm/Kelvin, bevorzugt im Bereich von 2000-11000 ppm/Kelvin, besonders bevorzug im Bereich von 3000-1 1000 ppm/Kelvin aufweist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Heizstruktur und das erste Temperatursensorelement jeweils aus einem Material ausgebildet sind, welches einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten im Bereich von 1000-1 1000 ppm/Kelvin, bevorzugt im Bereich von 2000-11000 ppm/Kelvin, besonders bevorzugt im Bereich von 3000- 1 1000 ppm/Kelvin aufweist. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass die
Heizstruktur aus Nickel oder Platin ausgebildet ist. Durch die Ausbildung der Heizstruktur und des ersten Temperatursensorelementes aus jeweils einem Material mit einem quasi linear bzw. mit einem stetig ansteigenden Widerstands-Temperaturkoeffizienten kann die Messung der Temperatur unmittelbar an der Heizstruktur eingespart werden, da sich diese Temperatur über den ohmschen Widerstand der Heizstruktur und den bekannten Wert des Widerstands-Temperaturkoeffizienten berechnen lässt und somit bestimmbar ist. Typischerweise ist die Heizstruktur und das erste Temperatursensorelement aus ein und demselben Material, vorzugsweise Platin, ausgebildet. Denkbar ist aber auch, dass die Heizstruktur aus Platin und das erste Temperatursensorelement aus Nickel somit aus unterschiedlichen Materialen ausgebildet sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regelungsvorrichtung in einem dritten Betriebszustand das Verhältnis zwischen der zugeführten Leistung und der vorgegebenen Temperatur im Wesentlichen konstant hält. Auf diese Weise können das Messergebnis störende Einflüsse, wie bspw. Temperaturschwankungen,
Druckschwankungen bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit vermindert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regelungsvorrichtung die Heizstruktur mit einem Anregungssignal ansteuert und die Auswerteeinheit die
Temperatur des an dem ersten Temperatursensorelement und zweiten
Temperatursensorelement vorbeiströmenden Gases mittels zumindest einem ersten Antwortsignale und einem zweiten Antwortsignal erfasst, dass das erste Antwortsignal von dem ersten Temperatursensorelement stammt und das zweite Antwortsignal von dem zweiten Temperatursensorelement stammt. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass die Auswerteeinheit zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit das erste und/oder zweite Antwortsignal mit ersten Referenzwerten vergleicht. Ferner ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit zur Ermittlung des vorliegenden Gases oder der Zusammensetzung des Gasgemisches das erste und/oder zweite Antwortsignal mit zweiten Referenzwerten vergleicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Anregungssignal ein
Wechselspannungssignal darstellt. Dieses Wechselspannungssignal dient zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und dem ersten und/oder zweiten Antwortsignal, dass die Auswerteeinheit die Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und dem ersten und/oder zweiten Antwortsignal ermittelt. Insbesondere führt die Auswerteeinheit eine Überprüfung bzw. Verifikation des zuvor bestimmten Gases oder der zuvor bestimmten Zusammensetzung des Gasgemisches sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit durch. Alternativ zur eben beschriebenen Überprüfung bzw. Verifikation kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit anhand der
Phasenverschiebung eine weitere physikalische Eigenschaft des vorliegenden Gases oder Gasgemisches bestimmt. Insbesondere stellt die weitere physikalische Eigenschaft die Temperaturleitfähigkeit des vorliegenden Gases oder Gasgemisches dar. Alternativ zu der Temperaturleitfähigkeit kann auch die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische
Wärmekapazität, die Dichte sowie die dynamische oder kinematische Viskosität bestimmt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die erste dielektrische Schicht und/oder die zweite dielektrische Schicht eine Schichtdicke kleiner 100 Mikrometer, vorzugsweise kleiner 50 Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner 15 Mikrometer aufweisen. Die Schichtdicke sowohl bei der ersten dielektrischen Schicht als auch bei der zweiten dielektrischen Schicht stellt ein Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und der Wärmeübertragung durch diese Schichten dar. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die erste und die zweite dielektrische Schicht aus demselben Material ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die erste und zweite dielektrische Schicht aus einem Polymer ausgebildet.
Hinsichtlich des Strömungsmessgerätes wird die Aufgabe durch ein Strömungsmessgerät mit einem thermischen Strömungssensor nach zumindest einer der vorhergehenden Ausgestaltung gelöst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 : einen Querschnitt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Ström u ngssensors ,
Fig. 2: ein elektrisches Schaltbild der Regelungsvorrichtung und einen Spannungsteiler der zur Erfassung eines Antwortsignales dient,
Fig. 3: eine erste Messkurve die erste Referenzwerte umfasst und
Fig. 4: eine zweite Messkurve die zweite Referenzwerte umfasst.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Strömungssensors 1. Hierbei weist der thermische Strömungssensor 1 ein Substrat 3 auf, auf dem eine erste dielektrische Schicht 6 aufgebracht ist. Ferner weist das Substrat 3 in einem ersten Bereich 4 eine Aussparung 5 auf, so dass die erste dielektrische Schicht in dem ersten Bereich 4 auf dem Substrat 3 eine Membran 7 ausbildet. Auf dieser Membran 7 ist eine Heizstruktur 8 derartig aufgebracht, dass sie sich zwischen einem ersten und einem zweiten Temperatursensorelement 9, 10 entlang der Strömungsrichtung des
Gases oder des Gasgemisches 2 befindet und dazu dient das Gas oder Gasgemisch 2 zu erhitzen. Die beiden Temperatursensorelemente 9, 10 sind ebenfalls auf der ersten dielektrischen Schicht 6 aufgebracht und vorzugsweise derartig angeordnet, dass sie in dem ersten Bereich 4 liegen. Mittels dieser beiden Temperatursensorelemente 9, 10 wird die Temperatur des an der Heizstruktur 8 erhitzten Gases oder Gasgemisches 2 erfasst. Zum Schutz der Heizstruktur 8 und der beiden Temperatursensorelemente 9,10 ist eine zweite dielektrische Schicht 16 auf die erste dielektrische Schicht 6 aufgebrachte. Zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches 2 wird die dem Substrat 3 abgewandte Seite der zweiten dielektrischen Schicht 18 dem strömenden Gas oder Gasgemisch 2 ausgesetzt.
Der thermische Strömungssensor 1 umfasst weiter eine Regelungsvorrichtung 1 1 , die die Heizstruktur 8 mit einem Anregungssignal 12 ansteuert und in einem ersten
Betriebszustand derartig regelt, dass die Heizstruktur eine vorgegebene Temperatur aufweist und die in einem zweiten Betriebszustand die Heizstruktur 8 derartig regelt, dass eine der Heizstruktur 8 zugeführte Leistung im Wesentlichen auf eine vorgegebene Leistung geregelt wird. Die Regelungsvorrichtung regelt mittels der Heizstruktur somit im ersten Betriebszustand die Gastemperatur des Gases oder Gasgemisches auf die vorgegebene Temperatur. Im zweiten Betriebszustand regelt die Regelungsvorrichtung die der Heizstruktur zugeführte Leistung im Wesentlichen auf die vorgegebene Leistung, welche typischerweise zumindest im Mittelwert konstant ist. Das Anregungssignal 13 stellt ein Wechselspannungssignal dar, welches bspw. eine Anregungsfrequenz von 1 Hz aufweist. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die im ersten Betriebszustand vorgegebene Temperatur eine konstante Übertemperatur des Gases bzw. Gasgemisches gegenüber der Umgebungstemperatur im Bereich um die 120°C darstellt und wenn die im zweiten Betriebszustand vorgegebene Leistung einen Spitze-Spitze-Wert von 20 mW (Milliwatt) aufweist. Die Anregungsfrequenz, die vorgegebene Temperatur sowie der Spitze-Spitze-Wert des Wechselspannungssignals können in Abhängigkeit des vorliegenden Gases bzw. Gasgemisches 2 variieren. Neben dem ersten und dem zweiten Betriebszustand hält die Regelungsvorrichtung 1 1 in einem dritten Betriebszustand das Verhältnis zwischen der zugeführten Leistung und der vorgegebenen Temperatur im Wesentlichen konstant.
Ferner ist die Regelungsvorrichtung 1 1 umschaltbar ausgestaltet, sodass sie zwischen den einzelnen Betriebszuständen umgeschaltet werden kann.
Neben der Regelungsvorrichtung 1 1 weist der thermische Strömungssensor 1 zusätzlich eine Auswerteeinheit 12 auf, die mittels der einzelnen Betriebszustände zumindest das vorliegende Gas oder die Zusammensetzung des Gasgemisches 2, sowie die
Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. Gasgemisches bestimmt. Hierzu misst der thermische Strömungssensor die Wärmeleitfähigkeit des Gases oder der
Gaszusammensetzung und bestimmt anhand der Wärmeleitfähigkeit das vorliegende Gas bzw. die Zusammensetzung des Gasgemisches. Hierzu erfasst die Auswerteeinheit 12 die Temperatur des an dem ersten Temperatursensorelement 9 vorbeiströmenden Gases bzw. Gasgemisches 2 mittels eines ersten Antwortsignals 14 und die Temperatur des an dem zweiten Temperatursensorelement 10 vorbeiströmenden und erhitzen Gases bzw. Gasgemisches 2 mittels eines zweiten Antwortsignals 15. Zur Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit vergleicht die Auswerteeinheit 12 entweder das erste Antwortsignal 14 mit ersten Referenzwerten 16 oder das zweite Antwortsignal 15 mit den ersten Referenzwerten 16 jeweils für sich oder aber das erste und das zweite
Antwortsignal 14, 15 zusammen mit den ersten Referenzwerten 16. Zur Bestimmung des vorliegenden Gases oder der Zusammensetzung des Gasgemisches 2 vergleicht die Auswerteeinheit 12 entweder das erste Antwortsignal 14 mit zweiten Referenzwerten 17 oder das zweite Antwortsignal 15 mit den zweiten Referenzwerten 17 oder aber das erste und das zweite Antwortsignal 14, 15 mit den zweiten Referenzwerten 17, wobei sich die ersten Referenzwerte 16 von den zweiten Referenzwerten 17 unterscheiden. Zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches 2, welches vorzugsweise ein binäres Gasgemisch, wie bspw. ein Argon-Helium-Gemisch, darstellt, muss der
Auswerteeinheit 12 die einzelnen Bestandteile, also in dem Fall Helium und Argon, bekannt sein, damit die konzentrationsmäßige Zusammensetzung des (binären)
Gasgemisches bestimmbar ist. Fig. 2a) zeigt ein elektrisches Schaltbild der Regelungsvorrichtung 1 1 und Fig. 2b) einen Spannungsteiler der zur Erfassung der Antwortsignale 14, 15 dient. Die
Regelungsvorrichtung 1 1 stellt im einfachsten Fall ein Spannungsteiler dar, wobei der ohmsche Heizwiderstand der Heizstruktur 8 mit RH dargestellt ist und dem Heizwiderstand ein Vorwiderstand RVH für die Heizstruktur 8 vorgeschaltet ist. Mittels der
Gesamtspannung für die Heizstruktur UH lässt sich somit das Anregungssignal 13 erzeugen, welches wie bereits erwähnt ein Wechselspannungssignal darstellt, dass einen Spitzen-Spitzen-Wert von 20 mW aufweist. Als Anregungssignal 13 kommt sowohl eine Sinusspannung, eine Rechtecksspannung als auch jede andere Form eines
Wechselspannungssignals in Betracht.
Fig. 2b) zeigt einen Spannungsteiler der zur Erfassung eines Antwortsignales 14, 15 dient. Der Einfachheit halber ist in Fig. 2b) nur der Spannungsteiler der zur Erfassung des ersten Antwortsignals 14 des ersten Temperatursensorelement 9 dient dargestellt. Die Auswerteeinheit 12 umfasst somit im einfachsten Fall zumindest einen Spannungsteiler für jedes Temperatursensorelement 9, 10. In Fig. 2b) ist der ohmsche Widerstand des Temperatursensorelementes mit RT dargestellt. Weiter umfasst der Spannungsteiler einen Vorwiderstand RVT und wird mit einer Gesamtspannung UT betrieben, wobei die Gesamtspannung UT eine Gleichspannung darstellt. Das erste Antwortsignal 14 wird über dem Widerstand des Temperatursensorelements RT abgegriffen.
Fig. 3 zeigt eine erste Messkurve, die die zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder des Gasgemisches 2 benötigten ersten Referenzwerte 16 umfasst. Fig. 4 zeigt eine zweite Messkurve anhand derer die Bestimmung des vorliegenden Gases oder der Zusammensetzung des Gasgemisches 2 durchführbar ist.
Bezugszeichenliste
1 Thermischer Strömungssensor
2 Gas oder Gasgemisch
3 Substrat
4 Erster Bereich
5 Aussparung
6 Erste dielektrische Schicht
7 Membran
8 Heizstruktur
9 Erstes Temperatursensorelement
10 Zweites Temperatursensorelement
1 1 Regelungsvorrichtung
12 Auswerteeinheit
13 Anregungssignal
14 Erstes Antwortsignal
15 Zweites Antwortsignal
16 Erste Referenzwerte
17 Zweite Referenzwerte
18 Zweite Dielektrische Schicht
RH Heizwiderstand
RT Widerstand eines Temperatursensorelements
RvH Vorwiderstand Heizer
RVT Vorwiderstand Temperatursensorelement
UH Gesamtspannung für Heizstruktur
UT Gesamtspannung für Temperatursensorelement

Claims

Patentansprüche
1. Thermischer Strömungssensor (1 ) zur Bestimmung eines Gases oder der
Zusammensetzung eines Gasgemisches (2), sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit umfassend:
- ein Substrat (3), auf dem zumindest eine erste dielektrische Schicht (6) aufgebracht ist;
- zumindest eine Heizstruktur (8), die auf die erste dielektrische Schicht (6) aufgebracht ist und dazu dient das Gas oder das Gasgemisch (2) zu erhitzen;
- zumindest ein erstes Temperatursensorelement (9), das beabstandet von der
Heizstruktur (8) auf der ersten dielektrischen Schicht (6) aufgebracht ist und die
Temperatur des an der Heizstruktur (8) erhitzten Gases oder Gasgemisches (2) erfasst;
- eine Regelungsvorrichtung (1 1 ), die in einem ersten Betriebszustand die Heizstruktur (8) derartig regelt, dass die Heizstruktur eine vorgegebene Temperatur aufweist und in einem zweiten Betriebszustand die Heizstruktur (8) derartig regelt, dass eine der Heizstruktur (8) zugeführte Leistung einer vorgegebenen Leistung entspricht;
- eine Auswerteeinheit (12), die mittels der Betriebszustände zumindest eine
physikalische Eigenschaft des vorliegenden Gases oder des Gasgemisches (2) ermittelt und anhand dieser physikalischen Eigenschaft das vorliegende Gas oder die
Zusammensetzung des Gasgemisches (2) sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.
2. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 1 , wobei die Auswerteeinheit (12) die Zusammensetzung des Gasgemisches (2) konzentrationsmäßig bestimmt und wobei zur konzentrationsmäßigen Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches (2) die einzelnen Bestandteile des Gasgemisches (2) der Auswerteeinheit (12) bekannt sein müssen.
3. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (3) zumindest in einem ersten Bereich (4) eine Aussparung (5) aufweist, so dass die erste dielektrische Schicht (6) zumindest in dem ersten Bereich (4) auf dem Substrat (3) eine Membran (7) ausbildet und wobei die zumindest eine Heizstruktur (8) in dem ersten Bereich (4) auf der als Membran (7) ausgebildeten ersten dielektrischen Schicht (6) angeordnet ist.
4. Thermischer Strömungssensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweites Temperatursensorelement (10) auf der ersten
dielektrischen Schicht (6) aufgebracht ist.
5. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 4, wobei die Heizstruktur (8) entlang einer Strömungsrichtung des Gases oder des Gasgemisches (2) zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensorelementen (9, 10) angeordnet ist.
6. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 5, wobei das zweite
Temperatursensorelement (10) aus einem Material ausgebildet ist, welches einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten im Bereich von 1000-1 1000 ppm/Kelvin, bevorzugt im Bereich von 2000-11000 ppm/Kelvin, besonders bevorzug im Bereich von 3000-1 1000 ppm/Kelvin aufweist.
7. Thermischer Strömungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Heizstruktur (8) und das erste Temperatursensorelement (9) jeweils aus einem Material ausgebildet sind, welches einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten im Bereich von 1000-1 1000 ppm/Kelvin, bevorzugt im Bereich von 2000-1 1000 ppm/Kelvin, besonders bevorzug im Bereich von 3000-1 1000 ppm/Kelvin aufweist.
8. Thermischer Strömungssensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Regelungsvorrichtung (1 1 ) in einem dritten Betriebszustand das Verhältnis zwischen der vorgegebenen Leistung und der vorgegebenen Temperatur im Wesentlichen konstant hält.
9. Thermischer Strömungssensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungsvorrichtung (1 1 ) die Heizstruktur (8) mit einem
Anregungssignal (13) ansteuert und die Auswerteeinheit die Temperatur des an dem ersten Temperatursensorelement (9) und zweiten Temperatursensorelement (10) vorbeiströmenden Gases (2) mittels zumindest einem ersten Antwortsignales (14) und einem zweiten Antwortsignal (15) erfasst.
10. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 9, wobei die Auswerteeinheit (12) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit das erste und/oder zweite Antwortsignal (14, 15) mit ersten Referenzwerten (16) vergleicht.
1 1. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Auswerteeinheit (12) zur Ermittlung des vorliegenden Gases oder der Zusammensetzung des
Gasgemisches das erste und/oder zweite Antwortsignal (14, 15) mit zweiten
Referenzwerten (17) vergleicht.
12. Thermischer Strömungssensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anregungssignal (13) ein Wechselspannungssignal darstellt.
13. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 12, wobei die Auswerteeinheit (12) eine Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal (13) und dem ersten und/oder zweiten Antwortsignal (14, 15) ermittelt.
14. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 13, wobei die Auswerteeinheit (12) anhand der Phasenverschiebung eine Überprüfung der Bestimmung des Gases oder der Zusammensetzung des Gasgemisches (2), sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit durchführt.
15. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 13, wobei die Auswerteeinheit (12) anhand der Phasenverschiebung eine weitere physikalische Eigenschaft des
vorliegenden Gases oder Gasgemisches bestimmt.
16. Thermischer Strömungssensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste dielektrische Schicht (6) und/oder die zweite dielektrische Schicht (18) eine Schichtdicke kleiner 100 Mikrometern, vorzugsweise kleiner 50 Mikrometern, besonders bevorzugt kleiner 15 Mikrometern aufweisen.
17. Thermischer Strömungssensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht (6, 18) aus demselben Material ausgebildet sind.
18. Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 17, wobei die erste und zweite dielektrische Schicht (6, 18) aus einem Polymer ausgebildet sind.
19. Strömungsmessgerät mit einem thermischen Strömungssensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.
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