WO2017174410A1 - Kalorimetrische bestimmung einer gaskonzentration - Google Patents

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WO2017174410A1
WO2017174410A1 PCT/EP2017/057367 EP2017057367W WO2017174410A1 WO 2017174410 A1 WO2017174410 A1 WO 2017174410A1 EP 2017057367 W EP2017057367 W EP 2017057367W WO 2017174410 A1 WO2017174410 A1 WO 2017174410A1
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measuring
membrane
fluid
resistor
temperature
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PCT/EP2017/057367
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Tobias Lang
Tobias Sebastian Frey
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/005—H2

Definitions

  • the invention relates to the determination of a gas concentration.
  • the invention relates to a micromechanical sensor for determining the gas concentration on the basis of a heat conductivity of the gas and a determination method.
  • the concentration of a predetermined gas should be determined.
  • a predetermined gas for example, a gas
  • Fuel cell which burns hydrogen and oxygen, comprise an air-filled exhaust tract, in which the concentration of hydrogen to be determined.
  • the fluid is heated by means of a heating resistor and the temperature of the resistor is observed.
  • the lower the thermal conductivity of the fluid the more the resistance heats up. From a relationship between heating power and temperature can be concluded that the thermal conductivity of the fluid.
  • hydrogen has about ten times higher thermal conductivity, so that the concentration of hydrogen in air can be determined based on the thermal conductivity in the example given.
  • the heat conductivity of the fluid can also be influenced by an additional gas, in the example above, for example, by steam, which can arise as a reaction process.
  • the thermal conductivity of a substance is generally dependent on its temperature, so that the effects of water serdampf and hydrogen can be distinguished by calorimetric determinations of the thermal conductivity of the fluid are carried out at different temperatures.
  • the invention has for its object to provide an improved technique for the calorimetric determination of a gas concentration.
  • the invention solves this problem by means of the subjects of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.
  • a measuring device for the calorimetric determination of a gas concentration in a fluid comprises a structure with a cavity and a membrane mounted above the cavity, which is thermally coupled to the fluid.
  • the membrane is fitted with a resistance to record a heating power, the resistance of which depends on its temperature.
  • the conductance determination can be influenced, for example, by the effects of different currents for effecting different temperatures at the resistor.
  • a useful signal at the resistor may be smaller than an offset, which may arise when the resistance of different currents, which are necessary to achieve the different temperatures, flows through.
  • the offset four heating resistors can be interconnected in the manner of a Wheatstone bridge and the fluid partially or completely suspended.
  • the Wheatstone measuring bridge comprises the resistor, so that a measuring voltage at the measuring bridge indicates the thermal conductivity of the fluid.
  • At least one resistance of the measuring bridge is also located on a membrane. It is proposed to provide functionally only a single membrane in the measuring device, so that the one or more attached to a membrane resistors of the measuring bridge are located on the membrane of the heating resistor.
  • a Wheatstone bridge can be used without all four resistors of the measuring bridge on the membrane to arrange.
  • a solution with several membranes or with a split membrane can be avoided. This has advantages with regard to the further processing of the chip, since a sealing of the membranes or of regions of the membrane can otherwise be complicated, in particular if deionized ultrapure water is present as potentially in the region of a fuel cell.
  • a probability of failure of the measuring device due to a diaphragm rupture can be reduced.
  • the measuring device can be arranged in a known manner in a micromechanical sensor. To produce the measuring device, the production methods used so far can be sufficient. Deviations of the conductivities of the resistors can be compensated by means of the measuring bridge against each other, so that they do not enter into the determination. Manufacturing costs for the measuring device can be kept low due to the only one required membrane.
  • the measuring device can be designed in different variants.
  • the resistors on the membrane are thermally insulated from each other or mounted so that they thermally influence each other minimally and the conductivities of the resistors are different in size and each dependent on the temperature of the associated resistance.
  • the gas concentration can be determined on the basis of a measurement voltage indicative of an increase in the thermal conductivity of the fluid relative to the temperature. As described above, this slope is different for different gases, in particular hydrogen and water vapor may have different slopes.
  • the slope also usually has a dependence on the concentration of gases in the fluid.
  • the concentration of the gas for example, the hydrogen concentration, determined and distinguished from, for example, caused by water vapor thermal conductivity.
  • a change in the fluid temperature can not lead to a change in the measuring voltage when the four resistors of the Wheatstone measuring bridge have the same temperature coefficient.
  • To carry out a measurement only a single measuring voltage is required at the measuring bridge. With constant gas admission, the measuring voltage can remain unchanged.
  • one of the resistors of the Wheatstone measuring bridge is arranged on the membrane and the others on the structure.
  • a resistor lying on the structure, which corresponds in the measuring bridge to the resistance on the membrane, is mainly capacitive and the other resistors of the measuring bridge are mainly resistive.
  • the measuring bridge can be operated by means of an alternating voltage whose frequency can be varied to equalize the measuring bridge.
  • the conductance of the main capacitive resistor can be affected by changing the frequency of the AC voltage.
  • the conductance of the remaining three resistors is not influenced by this.
  • it is possible to operate and balance the measuring bridge with different heating powers and thereby at different overtemperatures by the frequency of the AC voltage is adjusted accordingly.
  • different excess temperatures of the fluid can be effected, which are required to distinguish between different gases, for example hydrogen and water vapor.
  • the measuring device preferably comprises only a single membrane.
  • the predominantly capacitively embodied resistor can be implemented technologically on the micromechanical measuring device, for example, by parallel metal planes in the manner of a plate capacitor or by means of interdigital structures and a suitable dielectric. For this required process steps may already be known and tested.
  • one of the resistors of the Wheatstone measuring bridge is arranged on the membrane and the others on the structure.
  • a further Wheatstone bridge is provided with four resistors, one of which is arranged on the membrane and the other on the structure. Conductances of the resistors on the membrane vary in size and in each case depend on the temperature of the associated resistor.
  • the gas concentration can be determined on the basis of a first measuring voltage of the measuring bridge at a first heating voltage at the measuring bridge and a second measuring voltage of the further measuring bridge at a second heating voltage at the further measuring bridge.
  • the wheatsone measuring bridges are preferably used successively by switching on the respective heating voltage.
  • the heating voltages may correspond to each other, so that different temperatures are generated by means of different sized resistors on the membrane. Due to the different thermal conductivity and their temperature dependence of different gases in the fluid, in particular of hydrogen and water vapor, a distinction between the influencing variables can be possible via these two measurements. Due to the sequential operation of the two measuring bridges, the mutual thermal influence of the on the
  • Minimized diaphragm mounted resistances These resistors can therefore be close to each other on the membrane, so that the membrane does not have to be enlarged in comparison to a known micromechanical measuring device.
  • a change in the fluid temperature in this variant also does not lead to a detuning of the measuring bridge and thus a change in the measuring voltage when all resistors are the same size or show at least in the first approximation, an equal dependence of their conductance of a temperature.
  • the mainland resistances can be chosen as small as possible in order to minimize the power consumption.
  • the fluid additionally comprises air or another gas with a non-linear thermal conductivity, it is not known how great the influence of the gas is on the calorimetric determination, then the described nonlinearity can be determined and based on a temperature determined by the structure be compensated or mathematically removed from the measurement voltage.
  • a further resistor may be mounted on the structure and the temperature may be determined from a resistive measurement and knowledge of a temperature coefficient of this resistor. At least some of these variants require an accurate determination of the measurement voltage in a very wide range. It is therefore preferred that an amplifier is provided for amplifying the measurement voltage, wherein a gain factor of the amplifier is dependent on the determined temperature.
  • Amplification factor can be influenced analogue or digitally by the specific temperature.
  • a method for calorimetrically determining a gas concentration in a fluid includes steps of determining a first thermal conductivity of the fluid at a first temperature, determining a second thermal conductivity of the fluid at a second temperature, and determining the gas concentration based on the thermal conductivities such that the thermal conductivity another gas which may be contained in the fluid is compensated.
  • the thermal conductivity is determined calorimetrically by means of a resistance thermally coupled to the fluid, which causes a flow of current to heat the fluid and whose temperature is determined on the basis of its conductance, the thermal conductivity on the basis of the temperature and to determine the current flow.
  • a temperature of the unheated fluid be determined and taken into account in determining the thermal conductivity.
  • This temperature can be determined in particular in the range of the above-mentioned structure, in particular by means of the described resistance-based measurement.
  • the current flow comprises an alternating current.
  • a heating power of a predominantly capacitively designed resistance of the measuring bridge can be influenced by a change in the frequency of the alternating current.
  • the above-mentioned resistance on the diaphragm is part of a resonant circuit, the temperature of the resistor being determined on the basis of a frequency of the resonant circuit. This determination can also be used or compensated for by means of the resistor mounted on the structure for determining the ambient temperature or fluid temperature.
  • Fig. 1 a measuring device
  • Fig. 2 qualitative dependencies of thermal conductivities of different gases each of a temperature
  • FIG. 6 illustrates a flowchart of a method for determining a gas concentration.
  • FIG. 1 shows a measuring device 100 for the calorimetric determination of a gas concentration in a fluid.
  • the measuring device 100 can be used, for example, for determining a concentration of hydrogen in the region of a fuel cell.
  • the fluid may in particular comprise a mixture of air, hydrogen and optionally also water vapor.
  • the measuring device 100 can be used to construct a safety sensor on board a motor vehicle, which can be driven by means of the fuel cell or by means of a hydrogen-burning drive motor.
  • the measuring device 100 may also enable a general gas detection, for example on a gasoline or diesel engine. Detached from a motor vehicle, the measuring device 100 for general Gas-analytical tasks are used, such as for gas chromatography.
  • FIG. 1 In an upper area of FIG. 1, a side view of the measuring device 100 is shown and in the lower area a plan view. In addition, additional elements are shown in the lower area, complete the measuring device 100 to a measuring system 105.
  • the measuring device 100 is preferably embodied as a micromechanical component and comprises a structure 110 having a cavity 11, which is covered by a membrane 120.
  • the structure 110 may comprise silicon and the membrane 120 may comprise, for example, silicon dioxide (S1O2).
  • a thermal conductivity of the membrane 120 is kept as low as possible so that the membrane 120 and all structures attached to it are thermally separated from the structure 110 as well as possible.
  • the membrane 120 is configured to be exposed to or at least thermally coupled to a fluid 125.
  • the fluid 125 may be present in a mass flow, as indicated by the arrow in Figure 1.
  • the gas guide can be done both from the front (VS) and from the back (RS).
  • resistors 130 On the structure 1 10 and the membrane 120 different resistors 130 are attached. All of the structures discussed herein may, in principle, be attached to the front or back of the membrane 120; By way of example, a front attachment is assumed here.
  • Four resistors 130 form a known Wheatstone bridge 135. The four resistors
  • resistors 130 (a) and 130 (b) are, unless stated otherwise, preferably equipped with the same conductance and more preferably with the same temperature coefficient. In general, it is preferable that resistors 130 (a) and 130 (b) be set equal in pairs. Furthermore, in one embodiment, the resistor pair 130 (b) can be selected as low as possible in order to minimize the power consumption of the Wheatstone bridge.
  • the resistors 130 may in particular be made as metal film resistors, preferably using platinum. At least one of the resistors 130 of the measuring bridge 135 lies on the membrane 120 of the measuring device. 100.
  • the resistors 130 of the measuring bridge 135 are preferably connected so that a heating voltage 140 can be applied to the measuring bridge 135 and a measuring voltage 145 can be tapped from it.
  • the measuring system 105 preferably comprises a heating voltage generator 150 for providing the heating voltage 140 and more preferably a measuring voltage evaluator 155 for evaluating the measuring voltage 145.
  • the measuring voltage evaluator 155 may comprise an amplifier with an adjustable amplification factor.
  • the measurement voltage evaluator 155 includes an analog-to-digital converter to enable digital evaluation.
  • resistor 130 (a) may be realized on the structure by a parallel connection of a capacitor and a coil. The resonant characteristics of the resonant circuit thus formed will vary depending on the conductance of the resistor 130 (a) on the diaphragm. In this case, in a still further embodiment, the resistors 130 (b) could also be omitted.
  • the measuring voltage evaluator 155 comprises a resonant circuit whose oscillation frequency is dependent on the measuring voltage 145.
  • the oscillation frequency or a period of the oscillation can be determined digitally, for example by means of a counter which is operated at a constant counting frequency and which is stopped after a wave or half-wave of the oscillation.
  • a processing device 160 is provided to on the
  • the processing device 160 is preferably connected to the heating voltage generator 150 in order to obtain an indication of a heating power used at one of the resistors 130, and more preferably with an independent of the measuring bridge 135 on the structure
  • the processing device 160 can provide via an interface 165.
  • the components 150 to 160 can each be implemented in analog technology, in digital technology or in mixed technology. It is particularly preferred that a dedicated semiconductor circuit is provided to receive at least some of the elements 150 to 160. This circuit can be connected to the measuring device 100, for example by means of bonding wires.
  • the entire measuring system 105 may be arranged in a single housing.
  • a determination of the concentration of a predetermined gas in the fluid 125 comprises heating the fluid 125 in the region of the membrane 120 by a flow of current through one of the resistors 130 located there
  • the resistor 130 has an electrical conductance that depends on the temperature of the resistor 130. The conductance, and thus temperature, of resistor 130 may be determined based on current and voltage across resistor 130.
  • the concentration of one gas in the other can not be determined by a single thermal conductivity measurement of the fluid 125.
  • the gases in the fluid 125 not only have different thermal conductivities, but these are also usually dependent in different ways on a temperature of the respective gas.
  • FIG. 2 shows qualitative dependencies of thermal conductivities of different gases in each case on a temperature.
  • a first characteristic curve 205 for hydrogen and a family of second characteristic curves 210 for water vapor are depicted qualitatively. In the horizontal direction, a temperature and in the vertical direction, a heat conductivity is applied.
  • the individual second characteristic curves 210 relate in each case to a predetermined concentration of water vapor in the exemplary comparison medium air. It can be seen that both the absolute thermal conductivity of water vapor and the degree of its temperature dependence are dependent on the absolute temperature of the fluid 125.
  • the thermal conductivity of hydrogen is in any case above that of water vapor, typically one Factor of approximately 10. It should be noted that Figure 2 is not to scale in this regard.
  • the arrangement of a plurality of resistors 130 on the membrane 120 may be expensive.
  • three different variants are proposed for a measuring device 100 corresponding to that of FIG. 1, each of which uses a Wheatstone measuring bridge 135 with four resistors 130, at least one of which lies on the membrane 120.
  • the different variants may also be associated with different measuring methods, which are explained in more detail in connection with the respective variant of the measuring device 100.
  • FIG. 3 shows a measuring device 100 in a first variant. Shown are only the four resistors 130 of the Wheatstone bridge 135.
  • the resistors 130 are designated in detail by R1 to R4.
  • R1 and R4 lie on the structure 110, while R2 and R3, thermally isolated from each other, lie on the membrane 120.
  • Conductivity values of R2 and R3 are different, so that different temperatures are set at the resistors R2 and R3 when the heating voltage 140 is applied.
  • the measurement voltage 145 therefore reflects the thermal conductivity of the fluid 125 at different temperatures. In particular, the measurement voltage 145 is proportional to the slope of the thermal conductivity of the fluid 125 with respect to the temperature (see FIG.
  • the heating voltage 140 should be kept constant with constant gas loading in order to avoid detuning of the measuring bridge 135.
  • FIG. 4 shows a measuring device 100 in a second variant; Designations of elements are based on the variant of FIG. In the present Embodiment, only R2 is on the membrane 120, the other resistors 130 are arranged on the structure 1. In this case, R3 is pronounced as a predominantly capacitive resistance and is referred to herein as C3.
  • C3 can be embodied completely as a capacitor, for example by means of plane-parallel metal layers on the structure 110, but also by an embodiment by means of, for example
  • the conductance of C3 is dependent on the frequency of an alternating voltage, which is used as the heating voltage 140.
  • the higher the frequency the larger the conductance of C3.
  • R1, R2 and R4 are predominantly resistive, in particular as platinum structures, so that their conductance values are practically unaffected by the frequency of the heating voltage 140.
  • more than two temperatures can be used to determine the thermal conductivity of the fluid 125 by applying a corresponding number of heating voltages 140 of different frequencies to the measuring bridge 135.
  • the resulting measuring voltages 145 form a characteristic pattern, from which it is possible to deduce the concentration of a predetermined gas in the fluid 125 (see FIG.
  • FIG. 5 shows a measuring device 100 in a third variant, wherein designations are again based on the aforementioned exemplary embodiments.
  • the illustrated measuring device 100 comprises two Wheatstone measuring bridges 135 and 135 '.
  • the first measuring bridge 135 comprises resistors R1 to R4 and the second measuring bridge 135 'includes the resistors R1' to R4 '.
  • the resistors R2 and R1 ' are on the membrane 120, the remaining resistors 130 on the structure 1 10.
  • the measuring bridges 135 and 135' alternately, that operated sequentially.
  • either the heating voltage 140 or the heating voltage 140 ' is turned on.
  • the resistors R2 and R1 ' have different conductivities, so that a temperature of the fluid 125 in the region of the diaphragm 120 during operation of the two measuring bridges 135, 135' is different.
  • the heating voltage 140 should in this case be kept constant in order to bring about a detuning of the measuring bridges 135, 135 'due to different effective temperature coefficients on the membrane 120 and on the structure 1 10 mounted resistors 130 to avoid.
  • the resistors R2 and R1 'on the diaphragm 120 usually heat up more than the resistors R1, R3, R4, R2', R3 'and R4' due to the lower heat dissipation.
  • a change in the heating voltage 140 should, however, no longer be necessary since, due to the realization of two different heaters R2 and R1 'on the
  • Membrane 120 the thermal conductivity of the fluid 125 can already be measured at two different temperatures.
  • the resistors R2 and R1' on the membrane 120 can be provided close to each other in a space-saving manner. Mutual thermal influence is not to be feared.
  • a further resistor 130 can be arranged on the structure 110 in order to determine a temperature of the structure 110 or of the fluid 125 before heating (cf. FIG. 1).
  • FIG. 6 shows a flow chart of a method 600 for determining a gas concentration, in particular by means of a measuring system 105 and using a measuring device 100 according to one of the variants described above.
  • the method 600 can be adapted to the characteristics of the described, different variants of the measuring device 100. Necessary information can be found in the above remarks by a person skilled in the art.
  • the illustrated variant of the method 600 relates to the embodiment of the measuring device 100 of FIG. 5.
  • the method 600 begins in a step 605.
  • the temperature of the fluid 125 is determined by means of a resistor 130 mounted on the structure 110 of the measuring device 100 (see FIG ).
  • a measuring bridge 135 used in the following is optionally calibrated, for example by adjusting a heating voltage 140 in magnitude or frequency.
  • the measuring voltage 145 is applied to the measuring Bridge 135 applied, so that a current through the resistors 130 of the measuring bridge 135 is effected.
  • the measuring voltage 145 is sampled before the heating voltage 140 is switched off again.
  • the thermal conductivity of the fluid 125 can be determined. For this purpose, the temperature of the fluid 125 determined in step 610 can be used.
  • steps 615 'to 630' which correspond in pairs to steps 615 to 630, are subsequently carried out. It should be noted that, for example, a parallel embodiment of corresponding sections of the method 600 is possible on the variant of the measuring device 100 of FIG.
  • the concentration of a predetermined gas in the fluid 125 is determined on the basis of a plurality of specific thermal conductivities or a slope of a thermal conductivity of the fluid 125 over the temperature (see FIG.

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Abstract

Eine Messeinrichtung zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Fluid umfasst eine Struktur mit einer Kavität; und eine über der Kavität angebrachte Membran, die thermisch mit dem Fluid gekoppelt ist. An der Membran ist ein Widerstand zur Eintragung einer Heizleistung angebracht, wobei ein Leitwert des Widerstands von seiner Temperatur abhängig ist. Eine Wheatstone-Messbrücke umfasst den Widerstand, sodass eine Messspannung an der Messbrücke auf den thermischen Leitwert des Fluids hinweist. Dabei ist mindestens ein Widerstand der Messbrücke an einer Membran angebracht und diese Membran ist die des Widerstands zur Eintragung der Heizleistung.

Description

Beschreibung
Titel
Kalorimetrische Bestimmung einer Gaskonzentration Stand der Technik
Die Erfindung betrifft die Bestimmung einer Gaskonzentration. Insbesondere betrifft die Erfindung einen mikromechanischen Sensor zur Bestimmung der Gaskonzentration auf der Basis einer Wärmeleitfähigkeit des Gases und ein Bestim- mungsverfahren.
Stand der Technik
In einem fluiden Volumenstrom, insbesondere einem Gasstrom, soll die Konzent- ration eines vorbestimmten Gases bestimmt werden. Beispielsweise kann eine
Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff verbrennt, einen luftgefüllten Abgastrakt umfassen, in welchem die Konzentration von Wasserstoff bestimmt werden soll. Zur kalorimetrischen Messung wird das Fluid mittels eines Heizwiderstands erwärmt und dabei wird die Temperatur des Widerstands beobachtet. Je niedriger der Wärmeleitwert des Fluids ist, desto stärker erwärmt sich der Widerstand. Aus einem Zusammenhang zwischen Heizleistung und Temperatur kann auf die Wärmeleitfähigkeit des Fluids geschlossen werden. Wasserstoff hat im Vergleich zu Luft eine etwa zehnfach höhere Wärmeleitfähigkeit, sodass auf der Basis der Wärmeleitfähigkeit im gegebenen Beispiel die Konzentration von Was- serstoff in Luft bestimmt werden kann.
Allerdings kann die Wärmeleitfähigkeit des Fluids auch durch ein zusätzliches Gas beeinflusst werden, in obigem Beispiel etwa durch Wasserdampf, der als Reaktionsprozess entstehen kann. Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffs ist im All- gemeinen abhängig von dessen Temperatur, sodass sich die Einflüsse von Was- serdampf und Wasserstoff unterscheiden lassen, indem kalorimetrische Bestimmungen der Wärmeleitfähigkeit des Fluids bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Eine Messeinrichtung zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Fluid umfasst eine Struktur mit einer Kavität und eine über der Kavität angebrachte Membran, die thermisch mit dem Fluid gekoppelt ist. An der Membran ist ein Widerstand zur Eintragung einer Heizleistung angebracht, wobei der Leitwert des Widerstands von seiner Temperatur abhängig ist.
Wird die Temperatur des Widerstands auf der Basis seines Leitwerts bestimmt, so kann die Leitwertbestimmung beispielsweise von den Effekten unterschiedlicher Ströme zur Bewirkung unterschiedlicher Temperaturen am Widerstand be- einflusst sein. Insbesondere kann ein Nutzsignal am Widerstand kleiner als ein Offset sein, der entstehen kann, wenn der Widerstand von unterschiedlichen Strömen, die zur Erreichung der unterschiedlichen Temperaturen nötig sind, durchflössen wird. Zur Kompensation beispielsweise des Offsets können vier Heizwiderstände nach Art einer Wheatstone-Messbrücke zusammengeschaltet werden und dem Fluid teilweise oder ganz ausgesetzt werden. Die Wheatstone- Messbrücke umfasst dabei den Widerstand, sodass eine Messspannung an der Messbrücke auf den thermischen Leitwert des Fluids hinweist. Wenigstens ein Widerstand der Messbrücke liegt ebenfalls an einer Membran. Es wird vorgeschlagen, in der Messeinrichtung funktional nur eine einzige Membran vorzusehen, sodass der oder die an einer Membran angebrachten Widerstände der Messbrücke an der Membran des Heizwiderstands liegen.
Durch die beschriebene Messeinrichtung kann eine Wheatstone-Messbrücke eingesetzt werden, ohne alle vier Widerstände der Messbrücke auf der Membran anzuordnen. Insbesondere kann dadurch eine Lösung mit mehreren Membranen oder mit einer geteilten Membran vermieden werden. Dies hat Vorteile bzgl. der Weiterverarbeitung des Chips, da eine Abdichtung der Membranen oder von Bereichen der Membran ansonsten aufwändig sein kann, insbesondere wenn deio- nisiertes Reinstwasser vorliegt wie potentiell im Bereich einer Brennstoffzelle.
Auch eine Ausfallwahrscheinlichkeit der Messeinrichtung aufgrund eines Membranbruchs kann verringert sein.
Die Messeinrichtung kann auf bekannte Weise in einem mikromechanischen Sensor angeordnet werden. Zur Herstellung der Messeinrichtung können die bislang verwendeten Produktionsmethoden ausreichen. Abweichungen der Leitwerte der Widerstände können mittels der Messbrücke gegeneinander kompensiert werden, sodass sie nicht in die Bestimmung eingehen. Herstellungskosten für die Messeinrichtung können aufgrund des nur einen erforderlichen Membran gering gehalten sein.
Die Messeinrichtung kann in unterschiedlichen Varianten ausgeführt sein.
In einer ersten Variante sind von den Widerständen der Wheatstone-Messbrücke zwei auf der Membran und die anderen auf der Struktur bzw. dem Festland des
Chips angeordnet. Die beiden Ausdrücke Festland des Chips und auf der Struktur werden im Folgenden synonym verwendet. Dabei sind die Widerstände auf der Membran thermisch voneinander isoliert bzw. so angebracht, dass sie thermisch sich gegenseitig minimal beeinflussen und die Leitwerte der Widerstände sind unterschiedlich groß und jeweils von der Temperatur des zugeordneten Widerstands abhängig. Dadurch kann die Gaskonzentration auf der Basis einer Messspannung bestimmt werden, die auf eine Steigung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids gegenüber der Temperatur hinweist. Wie eingangs beschrieben wurde, ist diese Steigung für unterschiedliche Gase unterschiedlich, insbesondere können Wasserstoff und Wasserdampf unterschiedliche Steigungen besitzen.
Die Steigung hat üblicherweise auch eine Abhängigkeit von der Konzentration von Gasen in dem Fluid. So kann auf der Basis der Brückenspannung die Konzentration des Gases, beispielsweise die Wasserstoffkonzentration, bestimmt und von einer beispielsweise durch Wasserdampf bedingten Wärmeleitfähigkeit unterschieden werden. In dieser Variante kann eine Änderung der Fluidtemperatur nicht zu einer Veränderung der Messspannung führen, wenn die vier Widerstände der Wheatstone- Messbrucke gleiche Temperaturkoeffizienten aufweisen. Für die Durchführung einer Messung ist lediglich eine einzige Messspannung an der Messbrücke erforderlich. Bei konstanter Gasbeaufschlagung kann die Messspannung unverändert bleiben.
In einer zweiten Variante sind von den Widerständen der Wheatstone- Messbrücke einer auf der Membran und die anderen auf der Struktur angeordnet. Ein auf der Struktur liegender Widerstand, der in der Messbrücke zu dem auf der Membran liegenden Widerstand korrespondiert, ist hauptsächlich kapazitiv und die anderen Widerstände der Messbrücke sind hauptsächlich resistiv ausgeführt. Die Messbrücke kann mittels einer Wechselspannung betrieben werden, deren Frequenz zum Abgleichen der Messbrücke variiert werden kann.
Der Leitwert des hauptsächlich kapazitiv ausgeführten Widerstands kann durch Verändern der Frequenz der Wechselspannung beeinflusst werden. Der Leitwert der restlichen drei Widerstände wird dadurch nicht beeinflusst. Somit ist es möglich, die Messbrücke mit unterschiedlichen Heizleistungen und dadurch bei unterschiedlichen Übertemperaturen zu betreiben und abzugleichen, indem die Frequenz der Wechselspannung entsprechend eingestellt wird. Dadurch können unterschiedliche Übertemperaturen des Fluids bewirkt werden, die zur Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Gasen, beispielsweise Wasserstoff und Wasserdampf, erforderlich sind. Die Messeinrichtung umfasst dabei bevorzugt nur eine einzige Membran. Der vorwiegend kapazitiv ausgeführte Widerstand kann technologisch an der mikromechanischen Messeinrichtung beispielsweise durch parallele Metallebenen nach Art eines Plattenkondensators oder mittels In- terdigitalstrukturen und geeignetem Dielektrikum umgesetzt werden. Hierfür erforderliche Prozessschritte können bereits bekannt und erprobt sein.
In einer dritten Variante sind von den Widerständen der Wheatstone-Messbrücke einer auf der Membran und die anderen auf der Struktur angeordnet. Zusätzlich ist eine weitere Wheatstone-Messbrücke mit vier Widerständen vorgesehen, von denen einer auf der Membran und die anderen auf der Struktur angeordnet sind. Leitwerte der Widerstände auf der Membran sind unterschiedlich groß und jeweils von der Temperatur des zugeordneten Widerstands abhängig. Dadurch kann die Gaskonzentration auf der Basis einer ersten Messspannung der Messbrücke bei einer ersten Heizspannung an der Messbrücke und einer zweiten Messspannung der weiteren Messbrücke bei einer zweiten Heizspannung an der weiteren Messbrücke bestimmt werden. Anders ausgedrückt werden die Wheats- tone-Messbrücken bevorzugterweise nacheinander verwendet, indem die jeweilige Heizspannung eingeschaltet wird. Die Heizspannungen können einander entsprechen, sodass mittels der unterschiedlich groß dimensionierten Widerstände auf der Membran unterschiedliche Temperaturen erzeugt werden. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeit und deren Temperaturabhängigkeit von unterschiedlichen Gasen im Fluid, insbesondere von Wasserstoff und Wasserdampf, kann über diese beiden Messungen eine Unterscheidung zwischen den Einflussgrößen möglich sein. Durch den sequentiellen Betrieb der beiden Messbrücken kann die gegenseitige thermische Beeinflussung der auf der
Membran angebrachten Widerstände minimiert sein. Diese Widerstände können daher auf der Membran nahe aneinander liegen, sodass die Membran im Vergleich zu einer bekannten mikromechanischen Messeinrichtung nicht vergrößert werden muss. Eine Veränderung der Fluidtemperatur kann bei dieser Variante ebenfalls nicht zu einer Verstimmung der Messbrücke und damit einer Veränderung der Messspannung führen, wenn alle Widerstände gleich groß sind bzw. zumindest in erster Näherung eine gleiche Abhängigkeit ihres Leitwerts von einer Temperatur zeigen. Generell können zur Optimierung die Widerstände auf dem Festland in geeigneter Weise möglichst klein gewählt werden, um die Leistungs- aufnähme zu minimieren.
Umfasst das Fluid zusätzlich Luft oder ein anderes Gas mit einer nichtlinearen thermischen Leitfähigkeit, wobei nicht bekannt ist, wie groß der Einfluss des Gases auf die kalorimetrische Bestimmung ist, so kann die beschriebene Nichtlinea- rität bestimmt und auf der Basis einer seitens der Struktur bestimmten Temperatur kompensiert bzw. rechnerisch aus der Messspannung entfernt werden. Zur Messung der Umgebungstemperatur kann ein weiterer Widerstand auf der Struktur angebracht sein und aus einer resistiven Messung und der Kenntnis eines Temperaturkoeffizienten dieses Widerstands kann die Temperatur bestimmt werden. Zumindest einige dieser Varianten erfordern eine genaue Bestimmung der Messspannung in einem sehr großen Bereich. Es ist daher bevorzugt, dass ein Verstärker zur Verstärkung der Messspannung vorgesehen ist, wobei ein Verstär- kungsfaktor des Verstärkers von der bestimmten Temperatur abhängig ist. Der
Verstärkungsfaktor kann analog oder digital durch die bestimmte Temperatur be- einflusst werden.
Ein Verfahren zum kalorimetrischen Bestimmen einer Gaskonzentration in einem Fluid umfasst Schritte des Bestimmens einer ersten Wärmeleitfähigkeit des Fluids bei einer ersten Temperatur, des Bestimmens einer zweiten Wärmeleitfähigkeit des Fluids bei einer zweiten Temperatur und des Bestimmens der Gaskonzentration auf der Basis der Wärmeleitfähigkeiten derart, dass die Wärmeleitfähigkeit eines weiteren Gases, das im Fluid enthalten sein kann, kompensiert wird.
Varianten dieses Verfahrens sind oben mit Bezug auf die Varianten der Messeinrichtung genauer beschrieben. Weitere Ausführungen finden sich unten mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Es ist bevorzugt, dass die Wärmeleitfähigkeit kalorimetrisch mittels eines thermisch mit dem Fluid gekoppelten Widerstands bestimmt wird, durch den ein Stromfluss zum Erwärmen des Fluids bewirkt wird und dessen Temperatur auf der Basis seines Leitwerts bestimmt wird, um die Wärmeleitfähigkeit auf der Ba- sis der Temperatur und des Stromflusses zu bestimmen.
Allgemein ist bevorzugt, dass eine Temperatur des unerwärmten Fluids bestimmt und beim Bestimmen der Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt wird. Diese Temperatur kann insbesondere im Bereich der oben erwähnten Struktur bestimmt werden, insbesondere mittels der beschriebenen widerstandsbasierten Messung.
In einer Variante umfasst der Stromfluss einen Wechselstrom. Eine Heizleistung eines vorwiegend kapazitiv ausgeführten Widerstands der Messbrücke kann durch eine Veränderung der Frequenz des Wechselstroms beeinflusst werden. ln einer weiteren Ausführungsform ist der oben erwähnte Widerstand auf der Membran Teil eines Schwingkreises, wobei die Temperatur des Widerstands auf der Basis einer Frequenz des Schwingkreises bestimmt wird. Diese Bestimmung kann auch mittels des auf der Struktur angebrachten Widerstands zur Bestimmung der Umgebungstemperatur bzw. Fluidtemperatur verwendet bzw. kompensiert werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Messeinrichtung;
Fig. 2 qualitative Abhängigkeiten von Wärmeleitfähigkeiten unterschiedlicher Gase jeweils von einer Temperatur;
Fig. 3 eine Messeinrichtung in einer ersten Variante;
Fig. 4 eine Messeinrichtung in einer zweiten Variante;
Fig. 5 eine Messeinrichtung in einer dritten Variante; und
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Gaskonzentration darstellt.
Figur 1 zeigt eine Messeinrichtung 100 zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Fluid. Die Messeinrichtung 100 kann beispielsweise zur Bestimmung einer Konzentration von Wasserstoff im Bereich einer Brennstoffzelle verwendet werden. Dabei kann das Fluid insbesondere eine Mischung aus Luft, Wasserstoff und gegebenenfalls auch Wasserdampf umfassen. Die Messeinrichtung 100 kann zum Aufbau eines Sicherheitssensors an Bord eines Kraftfahrzeugs dienen, das mittels der Brennstoffzelle oder mittels eines Wasserstoff verbrennenden Antriebsmotors angetrieben werden kann. In anderen Ausführungsformen kann durch die Messeinrichtung 100 auch eine allgemeine Gas- detektion ermöglicht sein, beispielsweise an einem Benzin- oder Dieselmotor. Losgelöst von einem Kraftfahrzeug kann die Messeinrichtung 100 für allgemeine Gas-analytische Aufgabenstellungen verwendet werden, etwa für die Gas- Chromatographie.
In einem oberen Bereich von Figur 1 ist eine Seitenansicht der Messeinrichtung 100 und im unteren Bereich eine Draufsicht dargestellt. Außerdem sind im unteren Bereich zusätzliche Elemente dargestellt, die Messeinrichtung 100 zu einem Messsystem 105 komplettieren.
Die Messeinrichtung 100 ist bevorzugterweise als mikromechanisches Bauele- ment ausgeführt und umfasst eine Struktur 1 10 mit einer Kavität 1 15, die mittels einer Membran 120 abgedeckt ist. Die Struktur 1 10 kann insbesondere Silicium und die Membran 120 beispielsweise Siliciumdioxid (S1O2) umfassen. Eine Wärmeleitfähigkeit der Membran 120 ist möglichst gering gehalten, sodass die Membran 120 und alle auf ihr angebrachten Strukturen thermisch möglichst gut von der Struktur 1 10 getrennt sind. Die Membran 120 ist dazu eingerichtet, einem Fluid 125 ausgesetzt oder wenigstens mit ihm thermisch gekoppelt zu werden. Das Fluid 125 kann dabei in einem Massenstrom vorliegen, wie durch den Pfeil in Figur 1 angedeutet ist. Die Gasführung kann dabei sowohl von der Vorderseite (VS) als auch von der Rückseite (RS) erfolgen.
An der Struktur 1 10 und der Membran 120 sind unterschiedliche Widerstände 130 angebracht. Alle hier behandelten Strukturen können prinzipiell an der Vorderseite oder der Rückseite der Membran 120 angebracht werden; exemplarisch wird hier von einer vorderseitigen Anbringung ausgegangen. Vier Widerstände 130 bilden eine bekannte Wheatstone-Messbrücke 135. Die vier Widerstände
130 der Messbrücke 135 sind, falls nicht anders angegeben, bevorzugterweise mit gleichen Leitwerten und weiter bevorzugt mit gleichen Temperaturkoeffizienten ausgestattet. Generell ist es zu bevorzugen, dass Widerstände 130 (a) und 130 (b) paarweise gleich gewählt werden. Des Weiteren kann in einer Ausfüh- rung das Widerstandspaar 130 (b) möglichst niederohmig gewählt werden, um die Leistungsaufnahme der Wheatstone Brücke zu minimieren.
Die Widerstände 130 können insbesondere als Metallfilm-Widerstände, bevorzugterweise unter Einsatz von Platin, hergestellt sein. Wenigstens einer der Wi- derstände 130 der Messbrücke 135 liegt auf der Membran 120 der Messeinrich- tung 100. Die Widerstände 130 der Messbrücke 135 sind bevorzugterweise so verschaltet, dass eine Heizspannung 140 an die Messbrücke 135 angelegt werden kann und eine Messspannung 145 von ihr abgegriffen werden kann. Das Messsystem 105 umfasst zusätzlich zur Messeinrichtung 100 bevorzugterweise einen Heizspannungsgenerator 150 zur Bereitstellung der Heizspannung 140 und weiter bevorzugt einen Messspannungsauswerter 155 zur Auswertung der Messspannung 145. Der Messspannungsauswerter 155 kann einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor umfassen. In einer Ausführungsform umfasst der Messspannungsauswerter 155 einen Analog-Digital-Wandler, um eine digitale Auswertung zu ermöglichen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Widerstand 130 (a) auf der Struktur durch eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer Spule realisiert werden. Die Resonanzeigenschaften des so gebildeten Schwingkreises wird sich Abhängigkeit des Leitwerts des Widerstands 130 (a) auf der Membran ändern. Hierbei könnten in einer noch weiteren Ausführung die Widerstände 130 (b) auch weggelassen werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Messspannungsauswerter 155 einen Schwingkreis, dessen Schwingfrequenz von der Messspannung 145 abhängig ist. Die Schwingfrequenz bzw. eine Periodendauer der Schwingung kann digital bestimmt werden, etwa mittels eines Zählers, der mit konstanter Zählfrequenz betrieben wird und der nach einer Welle oder Halbwelle der Schwingung angehalten wird. Weiter bevorzugt ist eine Verarbeitungseinrichtung 160 vorgesehen, um auf der
Basis der Messspannung 145 die Konzentration eines vorbestimmten Gases im Fluid 125 zu bestimmen. Dazu ist die Verarbeitungseinrichtung 160 bevorzugterweise mit dem Heizspannungsgenerator 150 verbunden, um einen Hinweis auf eine verwendete Heizleistung an einem der Widerstände 130 zu erhalten, und weiter bevorzugt mit einem unabhängig von der Messbrücke 135 an der Struktur
1 10 angebrachten Widerstand 130 zur Temperaturbestimmung einer Umgebung bzw. des unerhitzten Fluids 125. Ein Bestimmungsergebnis kann die Verarbeitungseinrichtung 160 über eine Schnittstelle 165 bereitstellen. Die Komponenten 150 bis 160 können jeweils in Analogtechnik, in Digitaltechnik oder in Mischtechnik ausgeführt sein. Es ist besonders bevorzugt, dass eine de- dizierte Halbleiterschaltung vorgesehen ist, um wenigstens einige der Elemente 150 bis 160 aufzunehmen. Diese Schaltung kann beispielsweise mittels Bond- drähten mit der Messeinrichtung 100 verbunden werden. Das gesamte Messsystem 105 kann in einem einzigen Gehäuse angeordnet sein.
Eine Bestimmung der Konzentration eines vorbestimmten Gases im Fluid 125 umfasst ein Erwärmen des Fluids 125 im Bereich der Membran 120 durch einen Stromfluss durch einen der dort befindlichen Widerstände 130. Je größer der
Wärmeleitwert des Fluids 125 ist, desto weniger stark wird das Fluid 125 im Bereich des Heizwiderstands 130 erwärmt. Der Widerstand 130 hat einen elektrischen Leitwert, der von der Temperatur des Widerstands 130 abhängt. Der Leitwert, und somit die Temperatur, des Widerstands 130 kann auf der Basis von Strom und Spannung am Widerstand 130 bestimmt werden.
Umfasst das Fluid 125 ein Gemisch aus wenigstens zwei Gasen mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten, so kann die Konzentration des einen Gases in dem anderen nicht durch eine einzige Wärmeleitmessung des Fluids 125 bestimmt werden. Üblicherweise haben die Gase im Fluid 125 jedoch nicht nur unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, sondern diese sind auch üblicherweise in unterschiedlicher Weise von einer Temperatur des jeweiligen Gases abhängig. Figur 2 zeigt qualitative Abhängigkeiten von Wärmeleitfähigkeiten unterschiedlicher Gase jeweils von einer Temperatur. Dabei sind exemplarisch eine erste Kennlinie 205 für Wasserstoff und eine Schar zweiter Kennlinien 210 für Wasserdampf qualitativ dargestellt. In horizontaler Richtung ist eine Temperatur und in vertikaler Richtung eine Wärmeleitfähigkeit angetragen.
Die einzelnen zweiten Kennlinien 210 beziehen sich jeweils auf eine vorbestimm- te Konzentration von Wasserdampf im exemplarisch gewählten Vergleichsmedium Luft. Es ist zu sehen, dass sowohl die absolute Wärmeleitfähigkeit von Wasserdampf als auch der Grad seiner Temperaturabhängigkeit von der absoluten Temperatur des Fluids 125 abhängig sind. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff liegt in jedem Fall über der von Wasserdampf, typischerweise um einen Faktor von annähernd 10. Es ist zu beachten, dass Figur 2 in dieser Hinsicht nicht maßstabsgetreu ist.
Die Anordnung mehrerer Widerstände 130 auf der Membran 120 kann aufwendig sein. Im Folgenden werden daher drei unterschiedliche Varianten für eine Messeinrichtung 100 entsprechend der von Figur 1 vorgeschlagen, die jeweils eine Wheatstone-Messbrücke 135 mit vier Widerständen 130 verwenden, von denen wenigstens einer auf der Membran 120 liegt. Mit den unterschiedlichen Varianten können auch unterschiedliche Messverfahren verbunden sein, die im Zusam- menhang mit der jeweiligen Variante der Messeinrichtung 100 genauer erläutert werden.
Figur 3 zeigt eine Messeinrichtung 100 in einer ersten Variante. Dargestellt sind lediglich die vier Widerstände 130 der Wheatstone-Messbrücke 135. Die Widerstände 130 sind im Einzelnen mit R1 bis R4 bezeichnet. R1 und R4 liegen auf der Struktur 1 10, während R2 und R3, thermisch voneinander isoliert, auf der Membran 120 liegen. Leitwerte von R2 und R3 sind unterschiedlich, sodass sich an den Widerständen R2 und R3 unterschiedliche Temperaturen einstellen, wenn die Heizspannung 140 angelegt wird. Die Messspannung 145 reflektiert daher die Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 bei unterschiedlichen Temperaturen. Insbesondere ist die Messspannung 145 proportional zur Steigung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 gegenüber der Temperatur (vgl. Figur 2). Auf der Basis dieser Steigung kann nicht nur zwischen unterschiedlichen Gasen unterschieden werden, vielmehr kann auch auf die Konzentration des einen Gases im anderen geschlossen werden. Liegt eine Kombination zweier Gase in einem dritten vor, beispielsweise Wasserstoff und Wasserdampf in Luft, so kann eine entsprechende Unterscheidung vorgenommen werden.
Da die Widerstände R1 und R4 auf der Struktur 1 10 und die Widerstände R2 und R3 auf der Membran 120 unterschiedliche effektive Temperaturkoeffizienten aufweisen, sollte die Heizspannung 140 bei konstanter Gasbeaufschlagung konstant gehalten werden, um eine Verstimmung der Messbrücke 135 zu vermeiden.
Figur 4 zeigt eine Messeinrichtung 100 in einer zweiten Variante; Bezeichnungen von Elementen sind an die Variante von Figur 3 angelehnt. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich nur R2 auf der Membran 120, die anderen Widerstände 130 sind auf der Struktur 1 10 angeordnet. Dabei ist R3 als vorwiegend kapazitiver Widerstand ausgeprägt und wird vorliegend mit C3 bezeichnet. C3 kann vollständig als Kondensator ausgeführt sein, beispielsweise mittels planpa- ralleler Metalllagen an der Struktur 1 10, aber auch eine Ausführung etwa mittels
Interdigitalstru kturen ist möglich. Der Leitwert von C3 ist dabei abhängig von der Frequenz einer Wechselspannung, die als Heizspannung 140 verwendet wird. Je höher die Frequenz ist, desto größer ist der Leitwert von C3. R1 , R2 und R4 sind hingegen vorwiegend resistiv ausgeführt, insbesondere als Platinstrukturen, so- dass ihre Leitwerte von der Frequenz der Heizspannung 140 praktisch unbeein- flusst sind. Somit ist es möglich, die Messbrücke 135 bei unterschiedlichen Temperaturen zu betreiben und abzugleichen, indem die Frequenz der Heizspannung 140 entsprechend eingestellt wird. Auf einfache Weise können auch mehr als zwei Temperaturen der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 zu- gründe gelegt werden, indem entsprechend viele Heizspannungen 140 unterschiedlicher Frequenzen an die Messbrücke 135 angelegt werden. Die resultierenden Messspannungen 145 bilden ein charakteristisches Muster, aus dem auf die Konzentration eines vorbestimmten Gases im Fluid 125 rückgeschlossen werden kann (vgl. Figur 2).
Figur 5 zeigt eine Messeinrichtung 100 in einer dritten Variante, wobei Bezeichnungen wieder an die vorgenannten Ausführungsbeispiele angelehnt sind.
Die dargestellte Messeinrichtung 100 umfasst zwei Wheatstone-Messbrücken 135 und 135'. Die erste Messbrücke 135 umfasst Widerstände R1 bis R4 und die zweite Messbrücke 135' die Widerstände R1 ' bis R4'. Die Widerstände R2 und R1 ' liegen auf der Membran 120, die restlichen Widerstände 130 auf der Struktur 1 10. In dieser Ausführungsform werden die Messbrücken 135 und 135' alternierend, also nacheinander betrieben. Dazu wird entweder die Heizspannung 140 oder die Heizspannung 140' eingeschaltet. Die Widerstände R2 und R1 ' weisen unterschiedliche Leitwerte auf, sodass eine Temperatur des Fluids 125 im Bereich der Membran 120 bei Betrieb der beiden Messbrücken 135, 135' unterschiedlich ist. Die Heizspannung 140 sollte hierbei konstant gehalten werden, um eine Verstimmung der Messbrücken 135, 135' aufgrund unterschiedlicher effekti- ver Temperaturkoeffizienten der auf der Membran 120 und der auf der Struktur 1 10 angebrachten Widerstände 130 zu vermeiden. So erwärmen sich die Widerstände R2 und R1 ' auf der Membran 120 wegen des geringeren Wärmeabflusses üblicherweise stärker als die Widerstände R1 , R3, R4, R2', R3' und R4'. Eine Veränderung der Heizspannung 140 sollte aber nicht mehr notwendig sein, da durch die Realisierung von zwei unterschiedlichen Heizern R2 und R1 ' auf der
Membran 120 die Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 bereits bei zwei unterschiedlichen Temperaturen gemessen werden kann.
Da stets nur einer der Widerstände R2 und R1 ' von Strom durchflössen ist, kön- nen die Widerstände R2 und R1 ' auf der Membran 120 platzsparend nahe aneinander vorgesehen werden. Eine gegenseitige thermische Beeinflussung ist nicht zu befürchten.
Es ist zu beachten, dass in den drei Varianten der Figuren 3 bis 5 jeweils ein wei terer Widerstand 130 auf der Struktur 1 10 angeordnet sein kann, um eine Temperatur der Struktur 1 10 bzw. des Fluids 125 vor dem Erwärmen zu bestimmen (vgl. Figur 1 ).
Figur 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Bestimmen einer Gaskonzentration, insbesondere mittels eines Messsystems 105 und unter Verwendung einer Messeinrichtung 100 nach einer der oben beschriebenen Varianten. Das Verfahren 600 kann an die Eigenheiten der beschriebenen, unterschied liehen Varianten der Messeinrichtung 100 angepasst werden. Erforderliche Hinweise kann ein Fachmann den obenstehenden Ausführungen entnehmen. In exemplarischer Weise bezieht sich die dargestellte Variante des Verfahrens 600 auf die Ausführungsform der Messeinrichtung 100 von Figur 5.
Das Verfahren 600 beginnt in einem Schritt 605. In einem optionalen Schritt 610, der auch zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden kann, wird die Temperatur des Fluids 125 mittels eines auf der Struktur 1 10 der Messeinrichtung 100 angebrachten Widerstands 130 bestimmt (vgl. Figur 1 ).
In einem Schritt 615 wird optional eine im Folgenden verwendete Messbrücke 135 kalibriert, beispielsweise durch Anpassen einer Heizspannung 140 im Betrag oder Frequenz. In einem Schritt 620 wird die Messspannung 145 an die Mess- brücke 135 angelegt, sodass ein Strom durch die Widerstände 130 der Messbrücke 135 bewirkt wird. In einem Schritt 625 wird die Messspannung 145 abgetastet, bevor die Heizspannung 140 wieder abgeschaltet wird. Anschließend kann in einem Schritt 630 die Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 bestimmt werden. Dazu kann die im Schritt 610 bestimmte Temperatur des Fluids 125 verwendet werden.
An der Ausführungsform der Messeinrichtung 100 von Figur 5 werden Schritte 615' bis 630', die paarweise zu Schritten 615 bis 630 korrespondieren, anschließend durchgeführt. Es ist zu beachten, dass beispielsweise an der Variante der Messeinrichtung 100 von Figur 3 eine parallele Ausführung entsprechender Abschnitte des Verfahrens 600 möglich ist.
In einem Schritt 635 wird auf der Basis mehrerer bestimmter Wärmeleitfähigkeiten bzw. einer Steigung einer Wärmeleitfähigkeit des Fluids 125 über die Temperatur (vgl. Figur 2) die Konzentration eines vorbestimmten Gases im Fluid 125 bestimmt.

Claims

Ansprüche
1 . Messeinrichtung (100) zur kalorimetrischen Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Fluid (125), wobei die Messeinrichtung (100) folgendes um- fasst:
- eine Struktur (1 10) mit einer Kavität (1 15);
- eine über der Kavität (1 15) angebrachte Membran (120), die thermisch mit dem Fluid (125) gekoppelt ist;
- einen Widerstand (130) zur Eintragung einer Heizleistung an der Membran (120);
- wobei ein Leitwert des Widerstands (130) von seiner Temperatur abhängig ist;
- eine Wheatstone-Messbrücke (135), die den Widerstand (130) umfasst,
- sodass eine Messspannung (145) der Messbrücke (135) auf den thermischen Leitwert des Fluids (125) hinweist;
dadurch gekennzeichnet, dass
- mindestens ein Widerstand (130) der Messbrücke (135) an einer Membran (120) angebracht ist und diese Membran (120) die des Widerstands (130) zur Eintragung der Heizleistung ist.
2. Messeinrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei:
- von den Widerständen (130) der Wheatstone-Messbrücke (135) zwei an der Membran (120) und die anderen an der Struktur (1 10) angeordnet sind;
- wobei die Widerstände (130) an der Membran (120) thermisch voneinan- der isoliert sind,
- wobei Leitwerte der Widerstände (130) an der Membran (120) unterschiedlich groß und jeweils von der Temperatur des zugeordneten Widerstands (130) abhängig sind;
- sodass die Gaskonzentration auf der Basis einer Messspannung (145) bestimmt werden kann, die auf eine Steigung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids (125) gegenüber der Temperatur hinweist.
Messeinrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei
- von den Widerständen (130) der Wheatstone-Messbrücke (135) einer an der Membran (120) und die anderen auf der Struktur (1 10) angeordnet sind;
- ein auf der Struktur (1 10) liegender Widerstand (130), der in der Messbrücke (135) zu dem an der Membran (120) liegenden Widerstand (130) korrespondiert, hauptsächlich kapazitiv und die anderen Widerstände (130) der Messbrücke (135) hauptsächlich resistiv ausgeführt sind,
- sodass die Messbrücke (135) mittels einer Wechselspannung betrieben werden kann, deren Frequenz zum Abgleichen der Messbrücke (135) variiert werden kann.
Messeinrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei:
- von den Widerständen (130) der Wheatstone-Messbrücke (135) einer an der Membran (120) und die anderen auf der Struktur (1 10) angeordnet sind;
- ferner eine weitere Wheatstone-Messbrücke (135) mit vier Widerständen (130) vorgesehen ist, von denen einer an der Membran (120) und die anderen auf der Struktur (1 10) angeordnet sind;
- wobei Leitwerte der Widerstände (130) an der Membran (120) unterschiedlich groß und jeweils von der Temperatur des zugeordneten Widerstands (130) abhängig sind;
- sodass die Gaskonzentration auf der Basis
a. einer ersten Messspannung (145) der Messbrücke (135) bei einer ersten Heizspannung (140) an der Messbrücke (135)
b. und einer zweiten Messspannung (145) der weiteren Messbrücke (135) bei einer zweiten Heizspannung (140) an der weiteren Messbrücke (135)
bestimmt werden kann.
Messeinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Verstärker zur Verstärkung der Messspannung (145), wobei ein Verstärkungsfaktor des Verstärkers von der bestimmten Temperatur abhängig ist.
Verfahren (600) zum kalorimetrischen Bestimmen einer Gaskonzentration in einem Fluid (125), wobei das Verfahren (600) folgende Schritte umfasst:
- Bestimmen (630) einer ersten Wärmeleitfähigkeit des Fluids (125) bei einer ersten Temperatur;
- Bestimmen (630') einer zweiten Wärmeleitfähigkeit des Fluids (125) bei einer zweiten Temperatur; und
- Bestimmen (635) der Gaskonzentration auf der Basis der Wärmeleitfähigkeiten derart, dass die Wärmeleitfähigkeit eines weiteren Gases, das im Fluid (125) enthalten sein kann, kompensiert wird.
Verfahren (600) nach Anspruch 6, wobei die Wärmeleitfähigkeit kalorimetrisch mittels eines thermisch mit dem Fluid (125) gekoppelten Widerstands (130) bestimmt wird, durch den ein Stromfluss zum Erwärmen des Fluids (125) bewirkt wird und dessen Temperatur auf der Basis seines Leitwerts bestimmt wird, um die Wärmeleitfähigkeit auf der Basis der Temperatur und des Stromflusses zu bestimmen.
Verfahren (600) nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Temperatur des uner- wärmten Fluids (125) bestimmt und beim Bestimmen der Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt wird.
Verfahren (600) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Stromfluss einen Wechselstrom umfasst.
0. Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, rückbezogen auf Anspruch 7, wobei der Widerstand (130) Teil eines Schwingkreises ist und die Temperatur des Widerstands (130) auf der Basis einer Frequenz des Schwingkreises bestimmt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020131192A1 (de) 2020-04-30 2021-11-04 AST (Advanced Sensor Technologies) International GmbH Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids, Flüssigkeitsbehälter und Fahrzeug

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2059069A (en) * 1979-09-14 1981-04-15 Gould Godart Bv Gas analyser
WO1999034198A2 (en) * 1997-12-31 1999-07-08 Honeywell Inc. Fluid property and flow sensing via a common frequency generator and fast fourier transformation
WO1999034201A1 (en) * 1997-12-31 1999-07-08 Honeywell Inc. Time lag approach for measuring thermal conductivity and specific heat
WO2014006648A1 (en) * 2012-07-04 2014-01-09 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Thermal conductivity detector (tcd) for applications in fast gas- chromatographic (gc)
DE102015211938A1 (de) * 2014-06-30 2015-12-31 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Gasdetektor und Programm
US20160003757A1 (en) * 2014-07-02 2016-01-07 Stmicroelectronics S.R.L. Gas measurement device and measurement method thereof

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2059069A (en) * 1979-09-14 1981-04-15 Gould Godart Bv Gas analyser
WO1999034198A2 (en) * 1997-12-31 1999-07-08 Honeywell Inc. Fluid property and flow sensing via a common frequency generator and fast fourier transformation
WO1999034201A1 (en) * 1997-12-31 1999-07-08 Honeywell Inc. Time lag approach for measuring thermal conductivity and specific heat
WO2014006648A1 (en) * 2012-07-04 2014-01-09 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Thermal conductivity detector (tcd) for applications in fast gas- chromatographic (gc)
DE102015211938A1 (de) * 2014-06-30 2015-12-31 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Gasdetektor und Programm
US20160003757A1 (en) * 2014-07-02 2016-01-07 Stmicroelectronics S.R.L. Gas measurement device and measurement method thereof

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