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Stand der Technik
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Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist ein Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in
DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise eine dünne Sensormembran auf einem Sensorchip, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip, aufgebracht. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann. Somit kann z. B. aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Variationen dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Aus
DE 101 11 840 C2 ist ein Sensorchip bekannt, welcher ein Rahmenelement, welches aus Silicium gefertigt ist, mit einer darauf aufgebrachten Membran aufweist. Auf der Membran sind verschiedene Metallbahnen angeordnet, welche als elektrische Heizer und/oder Messwiderstände fungieren, wodurch der Bereich der Membran einen Sensorbereich bildet. Weiterhin ist auf der Oberfläche des Sensorchips zusätzlich mindestens ein Zusatzheizer angeordnet, welcher elektrisch so erhitzt werden kann, dass im Bereich des Zusatzheizers im strömenden Medium Thermogradientenwirbel gebildet werden, welche zu Niederschlägen der Verschmutzungen in dem Bereich des Zusatzheizers abseits des Bereiches des Sensorbereiches führen und diesen mithin nicht kontaminieren.
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Zur Detektion von Wasserstoff macht man sich zunutze, dass Wasserstoff eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist. Bei einem Sensoraufbau ähnlich den oben skizzierten Heißfilmluftmassenmessern diffundiert ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch eine dünne Membran oder ein enges Gitter in den Messraum. Das Vorhandensein von Wasserstoff verändert dann die Temperatur einer beheizten Messmembran beziehungsweise die Wärmeleistung, die an die Umgebungsluft abgegeben wird, was wiederum das Messsignal ergibt. Üblicherweise liegt bei diesen Ausführungsvarianten die Chip- beziehungsweise die Gehäusetemperatur in der Umgebung der Raumtemperatur, wobei Membranübertemperaturen in der Regel zwischen 80 K und 120 K eingestellt werden.
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Bei dieser Messmethode ist von Nachteil, dass die in dem Gasgemisch vorhandene Feuchtigkeit die Wärmeleitfähigkeit eines H2-Luft-Gemisches beeinflusst. Bei Raumtemperatur kann der Einfluss der Luftfeuchte so groß sein, dass ein Nachweis von Wasserstoff im H2-Luft-Gemisch nicht mehr eindeutig möglich ist.
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Die
US 6 202 467 B1 offenbart einen Sensor mit einem Gehäuse, das einen Messraum umgibt, in dem ein Messchip mit einer beheizten Membran aufgenommen ist. Das Gehäuse weist eine Öffnung auf, durch die ein konvektiver Wärmetransport ermöglicht wird. Dabei ist die Öffnung in einem Deckel des Sensorgehäuses ausgebildet. Der Messraum kann durch den Messchip mit einer beheizten Membran beheizt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt angesichts der Nachteile des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, den Einfluss der Feuchte bei der Messung einer Komponente eines gasförmigen Fluides signifikant zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Messraum eines Gehäuses, in dem ein Sensor zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides eingelassen ist, von der Außenseite des Gehäuses zu beheizen, wobei das beheizbare Messelement auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die 50 K bis 200 K über dem Temperaturniveau liegt, auf welches das Gehäuse (16) aufgeheizt wird.. Insbesondere erfolgt eine Beheizung des Gehäuses des Sensors und/oder die Beheizung einer das Gehäuse des Sensors abdeckenden Deckelmembran. Die Beheizung erfolgt derart, dass eine Übertemperatur erreicht wird, die deutlich über Raumtemperatur, d. h. 25 °C, liegt, so z. B. eine Übertemperatur von T = 80 °C bis 200 °C. Die Übertemperatur einer als Messelement eingesetzten Messmembran wird auf eine Übertemperatur T, bevorzugt im Bereich zwischen 100 °C und 200 °C, gesteigert, so dass sich die relative Feuchte des Fluides innerhalb des Messraums des Sensors verringert und der auf die Luftfeuchtigkeit des gasförmigen Fluides zurückgehende Messfehler drastisch reduziert wird.
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Im Gegensatz zu bisher bekannten Sensorausführungen findet der Wärmeübergang dann nicht wie bisher auf einem Temperaturniveau zwischen 20 °C und 120 °C, sondern auf einem erheblich erhöhten Temperaturniveau, so z. B. zwischen 80 °C und 220 °C, statt.
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Die Beheizung des Messraumes kann in einer Ausführungsform z. B. dadurch realisiert werden, dass an mindestens einer Seite des den Messraum begrenzenden Gehäuses des Sensors ein Heizwiderstand angeordnet ist, der relativ großflächig auf der mindestens einen Seitenwand des Gehäuses des Sensors verläuft. Daneben ist es möglich, neben mindestens einer Seite des den Messraum begrenzenden Gehäuses die Gehäuseabdeckung, die z. B. durch einen Deckel oder eine Membran dargestellt ist, mittels mindestens eines weiteren Heizelementes von der Außenseite her zu beheizen. Neben der Applikation der Heizelemente auf mindestens eine Seitenwand des Gehäuses des Sensors und auf einen den Messraum abdeckenden Deckel beziehungsweise eine auf den Messraum aufgebrachte Membran kann eine Beheizung des Messraums auch durch in die Seitenwände des den Messraum begrenzenden Gehäuses des Sensors zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides eingesetzt werden.
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Je nach zur Verfügung stehendem Bauraum hinsichtlich des Einbauortes des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors können Heizelemente an den Längsseiten sowie an den Querseiten - bei einem Rechteck-konfigurierten Gehäuse - aufgebracht werden. Ist der Sensor in Form eines flachen Zylinders ausgebildet, so können in verschiedenen Umfangswinkelpositionen in Bezug auf die Mantelfläche des flach ausgebildeten Zylinders Heizelemente auf der Mantelfläche appliziert werden.
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Die Heizelemente werden bevorzugt als Heizwiderstände ausgeführt, die aus einem mäanderförmig gekrümmten Heizdraht gefertigt werden, mit welchem ein großflächiger Bereich der Seitenwände des Gehäuses des Sensors oder der Mantelfläche eines flach ausgebildeten Gehäuses eines Sensors versehen werden können.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine Ausführungsform eines aus dem Stande der Technik bekannten Sensors zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides,
- 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides,
- 3 eine Ansicht einer Längsseite des Gehäuses des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors und
- 4 eine Draufsicht auf das Gehäuse des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors mit einem auf der Gehäuseoberseite applizierten Heizelements.
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Ausführungsbeispiele
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein Schnitt durch einen Sensor zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides gemäß des Standes der Technik zu entnehmen.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass ein Sensor 10 zur Detektion einer Komponente eines gasförmigen Fluides, so z. B. zur Detektion von Wasserstoff, in einem Wasserstoff-Luft-Feuchte-Gemisch ein Gehäuse 16 umfasst. Das Gehäuse 16 begrenzt einen Messraum 14. Der Sensor 10 umfasst daneben einen auf einen Gehäuseboden 24 aufgebrachten Chip 18, der seinerseits eine Messmembran 20 enthält. Der Chip 18 ist auf dem Gehäuseboden 24 befestigt und dem durch einen Deckel 12 diffundierenden gasförmigen Fluid 26, so z. B. einem Wasserstoff-Luft-Feuchte-Gemisch 26, ausgesetzt. Üblicherweise liegt die Temperatur des Chips 18 und die Temperatur des Gehäuses 16 des in 1 dargestellten Sensors 10 im Bereich der Raumtemperatur von etwa 25 °C. Die in der Darstellung gemäß 1 wiedergegebene Messmembran 20 ist ebenfalls beheizt und weist eine Übertemperatur T von 80 K bis 120 K auf, bezogen auf die Temperatur des Chips 18.
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2 ist das Gehäuse 16 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors 10 zu entnehmen, welches an seiner Oberseite durch eine Deckelmembran 50 verschlossen ist.
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Das Gehäuse 16 umfasst Seitenwände 34, die den Messraum 14 begrenzen. Darüber hinaus ist der Messraum 14 durch den Gehäuseboden 24 begrenzt, auf dem der Messchip 18 mitsamt des beheizten Messelementes 20 aufgenommen ist. Unter Messelement wird nachfolgend eine Messmembran 20 verstanden.
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In der Darstellung gemäß 2 ist das Gehäuse 16 des Sensors 10 rechteckförmig ausgebildet. Die mit Bezugszeichen 34 bezeichneten Seitenwände können kürzer sein als eine Längsseite 36, wie in 2 dargestellt.
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Auf der hinter der Schnittebene liegenden Längsseite befindet sich an einer Gehäuseau-ßenseite 30 ein erstes Heizelement 32. Dieses wird in vorteilhafter Weise mäanderförmig ausgebildet, so dass ein großer Bereich einer sich über die Längsseite 36 erstreckenden Seitenwand des Gehäuses 16 beheizt werden kann. Das in 2 verdeckt dargestellte erste Heizelement 32 kann entweder auf die Außenseite 30 des Gehäuses 16 aufgebracht sein oder in das Gehäuse 16 integriert werden. Dies lässt sich in fertigungstechnisch einfacher Weise dadurch erzielen, dass in einem aus Kunststoffmaterial spritzgegossenen Gehäuse 16 mindestens ein erstes Heizelement 32 umspritzt wird, über welches der Messraum 14, in dem die beheizte Messmembran 20 auf dem Chip 18 eingelassen ist, beheizt wird.
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3 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors gemäß 2.
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Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass auf der Längsseite 36 des Gehäuses 16 das erste Heizelement 32 appliziert ist. Das erste Heizelement 32 weist Anschlüsse 40 auf. In der Darstellung gemäß 3 ist die Längsseite 36 des Gehäuses 16 in eine erste Hälfte 58 und in eine zweite Hälfte 60 unterteilt. In der Darstellung gemäß 3 befindet sich das erste Heizelement 32 innerhalb der ersten Hälfte 58 der sich über die Längsseite 36 erstreckenden Seitenwand des Gehäuses 16. Das erste Heizelement lässt sich daneben auch auf den durch Bezugszeichen 38 bezeichneten Querseiten des Gehäuses 16 von der Außenseite her applizieren. Neben der in 3 dargestellten Ausführungsvariante des ersten Heizelementes 32 als mäanderförmig verlaufender Heizdraht kann auch eine flächige Beheizung innerhalb der ersten Hälfte 58 oder der zweiten Hälfte 60 beidseits einer Achse 56 vorgenommen werden, wobei das erste Heizelement 32 auch als Gitterstruktur oder als Planfläche beschaffen sein kann, die auf die Außenseite 30 des Gehäuses 16, sei es an einer Längsseite 36, sei es an einer Querseite 38, appliziert werden kann. Wenngleich das erste Heizelement 32 in der in 3 dargestellten Ansicht auf der Längsseite 36 des Gehäuses 16 aufgebracht ist, so kann ein weiteres Heizelement auf der in 3 nicht dargestellten rückwärtigen Längsseite 36 des Gehäuses 16 appliziert werden. Daneben ist es auch möglich, an den einander gegenüberliegenden Querseiten 38 des Gehäuses 16 jeweils ein Heizelement von der Außenseite her zu applizieren. Während bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren die Chiptemperatur bei etwa 20 °C und die Temperatur der Messmembran 20 bei etwa 120 °C liegt, wird der Chip 18 bei der vorgeschlagenen Lösung auf einem wesentlich höheren Temperaturniveau von etwa 120 °C betrieben; ebenso nimmt die Messmembran 20 Temperaturen von 180 °C bis 230 °C, so zum Beispiel eine Temperatur von 220 °C an.
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Der Darstellung gemäß 4 ist eine Draufsicht auf den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensor zu entnehmen.
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Wie aus der Schnittdarstellung gemäß 2 entnehmbar, ist die Oberseite des Gehäuses 16 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors 10 durch eine Abdeckung verschlossen. Die Abdeckung kann zur Ermöglichung einer Diffusion des mehrere Komponenten enthaltenden, gasförmigen Fluides 26 als Deckelmembran 50 ausgeführt sein, welche den in 4 nicht dargestellten, jedoch 2 entnehmbaren Messraum 14 abschließt. Auf die Deckelmembran 50 ist innerhalb eines zentralen Bereiches 44 ein zweites Heizelement 42 aufgebracht, welches eine Mäanderform 52 aufweist. Die Anschlüsse des weiteren, zweiten Heizelementes 42 sind durch Bezugszeichen 46 bezeichnet.
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Das in 4 dargestellte, auf die Deckelmembran 50 aufgebrachte zweite Heizelement 42 weist einen Heizdraht 54 auf. Durch die Mäanderform 52 des zweiten Heizelementes 42 kann eine großflächige Beheizung des Zentralbereiches 44 der Deckelmembran 50 erzielt werden. Das in 4 in der Draufsicht dargestellte, durch die Deckelmembran 50 verschlossene Gehäuse 16 des Sensors 10 weist zwei einander gegenüberliegende Querseiten 38 und zwei einander gegenüberliegende Längsseiten 36 auf. Alternativ ist es auch möglich, das Gehäuse 16 des Sensors 10 in einem kreisförmigen Querschnitt auszubilden, der durch eine dann entsprechend kreisförmig konfigurierte Deckelmembran 50 verschlossen ist. Gemäß dieser Ausführungsvariante befinden sich ein oder mehrere erste Heizelemente 32 (vgl. Darstellung gemäß 3) entsprechend beabstandet an der Außenseite der Mantelfläche eines als flacher Zylinder ausgebildeten Gehäuses 16.
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Durch die in den 2 bis 4 dargestellten Heizelemente 32, 44 kann sowohl das Gehäuse 16, dessen Seitenwände 34, sei es die Längsseite 36, sei es die Querseite 38, von der Außenseite her beheizt werden als auch eine Deckelmembran 50 beheizt werden. Die Beheizung des Gehäuses 16 und damit des Messraumes 14 erfolgt auf eine Übertemperatur, die deutlich über der Raumtemperatur von 25 °C liegt, so z. B. auf eine Übertemperatur T zwischen 80° C bis 200 °C. Dementsprechend wird die auf dem Messchip 18 aufgenommeine Messmembran 20 auf eine Übertemperatur zwischen 100 °C und 200 °C beheizt, so dass sich die relative Feuchte des gasförmigen Fluides 26 innerhalb des Messraumes 14 erheblich reduziert und der auf die Luftfeuchtigkeit zurückgehende Fehler drastisch abnimmt. Der Wärmeübergang findet der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend nunmehr nicht mehr auf einem Temperaturniveau zwischen 20 °C und 120 °C, sondern auf einem erheblich darüberliegenden Temperaturniveau zwischen 120 °C und 220 °C statt.
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Durch das höhere Temperaturniveau innerhalb des Messraumes 14 ist sichergestellt, dass der Einfluss der Luftfeuchte, den das mehrere Komponenten enthaltende gasförmige Fluid 26 aufweist, die Detektion beziehungsweise den Nachweis von H2 im gasförmigen Fluid 26 nicht beeinträchtigt und ein sicherer Nachweis dieser Komponente möglich ist.