DE10103658A1

DE10103658A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE10103658A1
Application number: DE2001103658
Authority: DE
Inventors: Michael Arndt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-01-27
Filing date: 2001-01-27
Publication date: 2002-08-22
Also published as: WO2002059588A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit Mitteln zum Bereitstellen einer Heizspannung, Mitteln zum Bereitstellen eines Messstroms und Mitteln zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Span nungsabfalls. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit den Schritten: Bereitstellen einer Heizspannung, Bereitstellen eines Messstroms und Erzeugen eines temperaturabhängigen Span nungsabfalls.

Stand der Technik

Gattungsgemäße Vorrichtungen und gattungsgemäße Verfahren werden beispielsweise zur Wärmeleitfähigkeitsmessung im Rahmen der Gasanalyse eingesetzt. Die Wärmeleitfähig keitsmessung wird vor allem für quantitative Analysen zweikomponentiger Gasgemische eingesetzt. Zum Zwecke der quantitativen Analyse wird die Mischwärmeleitfähigkeit bei konstanter Gastemperatur gemessen. Besonders gut eignet sich die Wärmeleitfähigkeitsmessung zur Bestimmung von Konzentrationen von Wasserstoff und Helium in einem Gemisch mit anderen Gasen, wie zum Beispiel Luft oder Stickstoff, da Wasserstoff und Helium jeweils eine her vorstechend hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Wärmeleit fähigkeiten λ typischer Gase sind in Tabelle 1 aufge führt.

Tabelle 1

Anhand von Fig. 1 werden die Prinzipien der Wärmeleitfä higkeitsmessung erläutert. Um die Wärmeleitfähigkeit λ eines Gases zu messen, wird ein Körper auf eine Tempera tur T_K gebracht, welche größer ist, als die Temperatur des den Körper umgebenden Gases. Das Gas befindet sich auf Umgebungstemperatur T_U (T_K < T_U). Eine Heizleistung P_H wird benötigt, um die Temperaturdifferenz Δ_T = T_K - T_U konstant zu halten. Diese Heizleistung P_H ist direkt proportional zur Wärmeleitfähigkeit λ des Gases:

P_H = KλΔT.

In dieser Gleichung wird die Geometrie der Anordnung durch den konstanten Geometriefaktor K beschrieben.

Fig. 2 zeigt einen mikromechanischen Wärmeleitfähig keitssensor auf Siliziumbasis. Derartige Sensoren werden zunehmend verwendet und weiterentwickelt, insbesondere, da sie aufgrund der Miniaturisierung einen geringen Leis tungsverbrauch haben und eine kurze Ansprechzeit aufwei sen. Fig. 2 zeigt im unteren Teil eine Draufsicht auf eine derartige Anordnung. Im oberen Teil ist eine Schnit tansicht entlang der im unteren mit Pfeilen und einer Strich-Punkt-Linie gekennzeichneten Schnittebene darge stellt. Bei diesen Sensoren sind ein oder mehrere tempe raturabhängige elektrische Widerstände 124 auf einer thermisch isolierten Membran 122 aufgebracht. Ein weite rer temperaturabhängiger Widerstand 126 ist außerhalb der Membran 122 aufgebracht; dieser wird für die Messung der Umgebungstemperatur T_U verwendet. Über die elektrischen Anschlüsse 128 wird den temperaturabhängigen Widerständen 124 eine erhöhte Temperatur vermittelt, so dass die An ordnung auf der Membran 122 als T_K-Sensor wirkt. Für die Ansteuerung der Sensoren werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Entweder wird die Temperaturdifferenz Δ_T = T_K - T_U zwischen Membran und. umgebendem Gas konstant gehal ten, und die dafür benötigte Heizleistung P_H wird gemes sen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Heizleis tung konstant zu halten; in diesem Fall wird die Tempera turdifferenz gemessen. Bei beiden Verfahren handelt es sich um statische Verfahren. Die Veränderung des dynami schen thermischen Verhaltens des Sensors wird nicht be rücksichtigt.

Bei den statischen Verfahren ist die Messung kleiner Widerstandsänderungen erforderlich. Eine Messung von Widerständen erfolgt durch die Messung von Spannungen oder Strömen. Sollen nun diese wärmeleitfähigkeitsabhän gigen Spannungs- oder Stromsignale digital weiterverar beitet werden, so müssen sie nach einer Verstärkung in digitale Signale umgewandelt werden. Dies ist aufwendig, störanfällig und kostenintensiv.

Ein weiterer Nachteil der statischen Messverfahren be steht in dem relativ hohen Leistungsbedarf.

Weiterhin ist es nachteilig, dass bei statischen Messun gen für die Konzentrationsbestimmung eines Gasgemisches zumeist bei einer oder mehreren bestimmten Temperaturdif ferenzen gearbeitet wird. Es liegt somit keine kontinu ierliche Information bezüglich der Wärmeleitfähigkeit in einem breiten Temperaturbereich vor.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch auf, dass die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung stellen und dass Mittel zum Vergleichen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls mit einer Schwel lenspannung und zum Erzeugen einer sich zeitlich verän dernden Ausgangsspannung vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, statt einer aufwendigen und störanfälli gen Messung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Span nungen und Ströme, die Wärmeleitfähigkeit auf der Grund lage einer Zeitmessung zu bestimmen. Die Wärmeleitfähig keit lässt sich aus der zeitlichen Charakteristik der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung bestimmen.

Die Erfindung ist besonders dadurch vorteilhaft, dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der tempera turabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspan nung liegt, und dass die Ausgangsspannung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt. Bestimmt man in Kenntnis der zeitlichen Veränderung der Heizspannung die Zeiten, zu welchen die Ausgangsspannung den einen oder den anderen Wert hat, so lässt sich hieraus ein Rück schluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases ziehen.

Es ist vorteilhaft, wenn die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung eine periodisch gepulste Heizspannung zur Verfügung stellen. Durch die gepulste Heizspannung stehen definierte Referenzzeitpunkte zur Verfügung, wel che für das Ermitteln des zeitlichen Verlaufs des Span nungsabfalls verwendet werden können. Ferner wird auf grund der Verwendung einer gepulsten Ansteuerung der Leistungsbedarf des Sensors verringert. Dies ist vor allem für Überwachungsaufgaben von Vorteil.

Bevorzugt sind Mittel zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen. Da es auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich ist, analoge Spannungen beziehungsweise analoge Ströme zu messen, sind aufwendige Analog-Digital- Wandler entbehrlich. Vielmehr ist es möglich, die Aus gangsspannung direkt digital auszuwerten.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Mittel zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung einen Zähler aufweisen und wenn ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausgewertet wird. Es werden somit die Zeiträume gemessen, während derer sich die Ausgangsspan nung auf ihren unterschiedlichen Werten befindet. Hieraus lassen sich dann die entsprechenden Wärmeleitfähigkeiten berechnen.

Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Erzeugen eines tem peraturabhängigen Spannungsabfalls einen temperaturabhän gigen Widerstand. Bei temperaturabhängigen Widerständen hängt der Spannungsabfall bei gegebenem durch den Wider stand fließenden Strom von der Temperatur ab, so dass der Spannungsabfall ein direktes Maß für die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der tempera turabhängige Widerstand ein Platinwiderstand ist. Platin widerstände zeigen eine geeignete Variation des Wider standes in Temperaturbereichen, welche für viele Anwen dungen interessant sind.

Es ist nützlich, dass die Mittel zum Bereitstellen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls auf einer Membran angeordnet sind. Eine solche Membran hat aufgrund ihrer geringen Masse eine vergleichsweise geringe Wärmekapazi tät, so dass die Anordnung ein gutes Ansprechverhalten aufweist.

Nützlicherweise wirken die Mittel zum Bereitstellen einer Heizspannung mit einem Heizwiderstand zusammen. Dies ist eine besonders einfache Weise, eine sich zeitlich verän dernde Heizleistung zur Verfügung zu stellen.

Dabei kann es sich unter Umständen als vorteilhaft erwei sen, dass die Mittel zum Erzeugen eines temperaturabhän gigen Spannungsabfalls und der Heizwiderstand identisch sind. Auf diese Weise erreicht man eine Integration von Funktionen in einem einzigen Bauteil, nämlich dem tempe raturabhängigen Widerstand. In diesem Fall wird bei der Messung der Membrantemperatur bei einem bekannten Heiz strom die Heizspannung über dem Heizwiderstand ausgewer tet. In diesem Fall sollte der Heizstrom während der Abkühlung der Membran allerdings nicht auf Null sinken, damit der für die Messung der Abkühlkurve erforderliche Strom zur Verfügung steht.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass eine sich zeitlich verändernde Heiz spannung zur Verfügung gestellt wird, dass der tempera turabhängige Spannungsabfall mit einer Schwellenspannung verglichen wird und dass eine sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, statt einer aufwendigen und störanfälligen Mes sung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Spannungen und Ströme, die Wärmeleitfähigkeit auf der Grundlage einer Zeitmessung zu bestimmen. Die Wärmeleitfähigkeit lässt sich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der zeitlichen Charakteristik der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung bestimmen.

Das Verfahren ist besonders dadurch vorteilhaft weiterge bildet, dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspannung liegt, und dass die Ausgangsspan nung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt. Bestimmt man in Kenntnis der zeitlichen Veränderung der Heizspannung die Zeiten, zu welchen die Ausgangsspannung den einen oder den anderen Wert hat, so lässt sich hier aus ein Rückschluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Umge bungsgases ziehen.

Nützlicherweise wird eine periodisch gepulste Heizspan nung zur Verfügung gestellt. Durch die gepulste Heizspan nung stehen definierte Referenzzeitpunkte zur Verfügung, welche für das Ermitteln des zeitlichen Verlaufs des Spannungsabfalls verwendet werden können. Ferner wird aufgrund der Verwendung einer gepulsten Ansteuerung ein Verfahren mit verringertem Leistungsbedarf zur Verfügung gestellt. Dies ist vor allem für Überwachungsaufgaben von Vorteil.

Es ist von besonderem Vorteil, wenn die sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung digital ausgewertet wird. Da es auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich ist, analoge Spannungen beziehungsweise analoge Ströme zu messen, sind aufwendige Analog-Digital- Wandler entbehrlich. Das Verfahren bietet vielmehr die Möglichkeit, die Ausgangssignale direkt digital auszuwer ten.

Das Verfahren ist dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass zur digitalen Auswertung der sich zeitlich verän dernden Ausgangsspannung ein Zähler verwendet wird und dass ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausgewertet wird. Es werden somit die Zeiträume gemessen, während derer sich die Ausgangsspannung auf ihren unterschiedli chen Werten befindet. Hieraus lassen sich dann die ent sprechenden Wärmeleitfähigkeiten berechnen.

Es ist von Vorteil, wenn der temperaturabhängige Span nungsabfall mittels eines temperaturabhängigen Widerstan des erzeugt wird.

Vorzugsweise wird als temperaturabhängiger Widerstand ein Platinwiderstand verwendet. Bei temperaturabhängigen Widerständen hängt der Spannungsabfall bei gegebenem durch den Widerstand fließenden Strom von der Temperatur ab, so dass das Verfahren in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet ist, dass der Spannungsabfall als direktes Maß für die Temperatur des temperaturabhängigen Wider standes verwendet wird.

Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise so ausgeführt werden, dass zum Bereitstellen einer Heizleistung ein Heizwiderstand verwendet wird. Dies ist eine besonders einfache Weise, eine sich zeitlich verändernde Heizleis tung zur Verfügung zu stellen.

Mitunter kann es nützlich sein, dass als temperaturabhän giger Widerstand und als Heizwiderstand derselbe Wider stand verwendet wird. Das Verfahren bietet somit die Möglichkeit, Komponenten zu integrieren.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrun de, dass es möglich ist, anstatt einer aufwendigen und störanfälligen Messung wärmeleitfähigkeitsabhängiger analoger Spannungen und Ströme, eine Zeitmessung durchzu führen. Auf diese Weise lässt sich direkt eine digitale Auswerteelektronik einsetzen, ohne vor der digitalen Auswertung eine aufwendige Analog-Digital-Wandlung durch zuführen. Durch die Verwendung einer gepulsten Ansteuerung wird der Leistungsbedarf des Sensors verringert. Die Erfindung ermöglicht es ferner, die Empfindlichkeit der Auswerteelektronik gezielt einem interessierenden Wärme leitfähigkeitsbereich anzupassen. Somit lassen sich In formationen über die Wärmeleitfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich gewinnen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen bei spielhaft erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Prin zips einer Wärmeleitfähigkeitsmessung;

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines mikromechanischen Wärme leitfähigkeitssensors;

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 4 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin dung;

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erfin dung;

Fig. 6 zeigt eine Schaltskizze und zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 7 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin dung;

Fig. 8 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin dung;

Fig. 9 zeigt ein erstes Ergebnis einer Wärmeleitfähig keitsmessung;

Fig. 10 zeigt ein zweites Ergebnis einer Wärmeleitfä higkeitsmessung; und

Fig. 11 zeigt ein drittes Ergebnis einer Wärmeleitfä higkeitsmessung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Erfindung kann im Rahmen unterschiedlicher Wärmeleit fähigkeitsmessungen eingesetzt werden. Insbesondere kann sie für die Auswertung von mikromechanischen Wärmeleitfä higkeitssensorelementen verwendet werden, die getrennte Heiz- und Membrantemperaturfühlerwiderstände haben. Die Erfindung kann aber auch für Sensorelemente eingesetzt werden, die nur einen Heizwiderstand aufweisen, welcher gleichzeitig als Membrantemperaturfühler verwendet wird. In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Aus führungsformen wird die Erfindung anhand eines Sensorele mentes mit getrennten Heiz- und Membrantemperaturfühlerwiderständen ohne Beschränkung der Allgemeinheit be schrieben.

In Fig. 3 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Wärmeleitfähigkeitssensors dargestellt. Ein Heizwider stand R_H wird von einem Strom I_H durchflossen, wobei an dem Heizwiderstand R_H eine von der Temperatur T_K abhängi ge Spannung U_H abfällt. Ein weiterer Widerstand R_TK wird von einem Messstrom I_MK durchflossen, wobei an dem Wider stand R_TK eine von der Temperatur T_K des Körpers abhängige Spannung U_MK abfällt. Ein dritter Widerstand R_TU wird von einem Strom I_MU durchflossen, wobei an dem Widerstand R_TU eine von der Temperatur T_U der Umgebung abhängige Span nung U_MU abfällt. Der Widerstand R_H dient somit dazu, den Körper auf die Temperatur T_K zu bringen, während der Widerstand R_TK einen temperaturabhängigen Spannungsabfall U_MK zur Verfügung stellt.

Fig. 4 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin dung. In Fig. 4a ist ein möglicher Verlauf des Heiz stroms I_H gegen die Zeit t aufgetragen. Der Heizstrom I_H hat einen rechteckförmigen Verlauf, wobei er zum Zeit punkt t1 seinen Wert von I_H2 auf I_H1 ändert; zum Zeitpunkt t2 ändert sich der Wert wiederum auf I_H2. In Fig. 4b sind diesem Heizstrom entsprechende Temperaturverläufe T_K des erwärmten Körpers, das heißt vorzugsweise der Memb ran, in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Es sind Verläufe der Temperatur T_K in Abhängigkeit unterschiedli cher Wärmeleitfähigkeiten λ des umgebenden Mediums ge zeigt, wobei gilt λ₁ < λ₂ < λ₃. Es ist zu erkennen, dass die Membrantemperatur T_K bei hohem Heizstrom I_H2 ansteigt. Wird der Heizstrom zum Zeitpunkt t1 auf I_H1 erniedrigt, so sinkt die Membrantemperatur T_K wieder ab. Dieses Ab sinken setzt sich fort, bis der Heizstrom I_H zum Zeit punkt t2 wieder auf I_H2 erhöht wird. Der Anstieg der Membrantemperatur T_K ist umso steiler je niedriger die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases ist. Der Abfall der Membrantemperatur T_K ist umso steiler je höher die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases ist.

Der Temperaturverlauf während der Aufheizphase gehorcht im Wesentlichen der folgenden Gleichung:

Der Temperaturverlauf während der Abkühlphase verläuft gemäß der nachfolgenden Gleichung:

Dabei bezeichnen:
R_th: thermischer Widerstand der Wärmeableitung;
C_th: Wärmekapazität der Membran;
T_K,max: Temperatur der Membran bei Beendigung des Auf heizvorgangs.

Der thermische Widerstand R_th der Wärmeableitung von der Membran setzt sich aus den thermischen Widerständen der Ableitung in das umgebende Trägermaterial, das heißt beispielsweise Silizium, und in das umgebende Gas zusam men.

Wird bei Zuführung einer bekannten Heizleistung die Zeit betrachtet, die der Sensor benötigt, um die Aufheiz- Abkühlkurve zwischen zwei definierten Temperaturen zu durchlaufen, so ist diese Zeit ein Maß für die Wärmeleit fähigkeit des umgebenden Mediums. Somit ist auch die Zeit, während welcher die Temperatur T_K oberhalb einer Schwellentemperatur T_S liegt, die ebenfalls in Fig. 4b eingezeichnet ist, ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Umgekehrt ist auch die Zeit, während welcher die Tempera tur T_K unterhalb der Schwellentemperatur T_S liegt, ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit λ. Somit kann die Messung dieser Zeit genutzt werden, um eine direkte Messung des Membrantemperaturfühlerwiderstandes oder des Heizwider standes zu umgehen. Eine derartige Zeitmessung ist mit einer digitalen Auswerteschaltung leicht möglich.

Fig. 5 zeigt den Spannungsverlauf U_MK in Abhängigkeit der Zeit t an einem temperaturabhängigen Widerstand, der den in Fig. 4b dargestellten Temperaturänderungen ausge setzt ist. Wiederum sind drei Kurven in das Diagramm gemäß Fig. 5 eingezeichnet, wobei diese den Spannungs verlauf für verschiedene Wärmeleitfähigkeiten λ₁ < λ₂ < λ₃ zeigen. Für die Fertigung der Widerstände kann beispiels weise Platin verwendet werden, welches einen von der Temperatur abhängigen spezifischen elektrischen Wider stand aufweist. Messtechnisch kann somit ein Schwellen wert U_S für die an dem temperaturabhängigen Widerstand abfallende Spannung U_MK festgelegt werden. Dieser Schwel lenwert wird dann zur Bestimmung der Zeiten verwendet, die letztlich digital ausgewertet werden. Bei hoher Leit fähigkeit des Umgebungsgases, beispielsweise bei einer Leitfähigkeit entsprechend der unteren Kurve in Fig. 5, ist die Zeit kurz, während welcher die Spannung U_MK ober halb des Schwellenwertes U_S liegt. Eine kurze Zeit ober halb des Schwellenwertes lässt somit einen Rückschluss auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases zu. Umgekehrt ist bei niedriger Wärmeleitfähigkeit des Umge bungsgases der Schwellenwert U_S während eines langen Zeitraums überschritten, so dass hieraus auf eine niedri ge Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases rückgeschlossen werden kann.

Fig. 6 zeigt eine Schaltungsskizze einer Schaltung zur Auswertung der Aufheiz-Abkühlkurve. Die Schaltung gemäß Fig. 6a umfasst einen ersten Stromkreis mit einem Diffe renzverstärker 10, einem Heizwiderstand 20 und einem weiteren Widerstand 30. Dem positiven Eingang des Diffe renzverstärkers 10 wird eine Eingangsspannung U_Ein einge geben, welche vorzugsweise eine periodische Rechteckform besitzt, wie dies in Fig. 6b dargestellt ist. In Fig. 6b ist U_Ein gegen t aufgetragen. Der negative Eingang des Differenzverstärkers 10 ist über den Widerstand 30 geer det. Der Ausgang des Differenzverstärkers 10 liefert einen Heizstrom I_H, welcher durch den Widerstand 20 fließt, der einen Wert R_H aufweist. Dieser Wert ist im Allgemeinen temperaturabhängig. Der Stromkreis wird durch eine Verbindung des Widerstandes 20 mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 10 geschlossen. Somit steht eine Schaltung zur Verfügung, welche periodische Temperaturschwankungen erzeugt, wobei die Periode von dem Verlauf der Eingangsspannung U_Ein bestimmt wird. Ein wei terer Stromkreis der Schaltung gemäß Fig. 6a umfasst eine Stromquelle 12, welche einen Messstrom I_MK liefert.

Dieser Messstrom I_MK wird im Wesentlichen durch einen Widerstand 18 geleitet, welcher mit Erde verbunden ist und einen temperaturabhängigen Wert R_TK aufweist. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 18 wird gemessen, indem ein Pol des Widerstandes 18 über einen Widerstand 34 mit dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers 36 verbunden ist. Ein weiterer Pol des Widerstandes 18 ist über einen Widerstand 38 mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 36 verbunden. Der positive Ein gang des Differenzverstärkers 36 ist ferner über einen weiteren Widerstand 40 mit Erde verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 36 wird über einen Rückkopp lungswiderstand 42 auf den negativen Eingang des Diffe renzverstärkers 36 zurückgeführt. Ebenfalls wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 36 dem positiven Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 14 zugeführt. Dem negativen Eingang dieses weiteren Differenzverstär kers 14 wird von einer Spannungsquelle 46 eine Schwellen spannung U_S zugeführt. Auf diese Weise wird eine Aus gangsspannung U_AUS am Ausgang 14 des Differenzverstärkers 14 erzeugt, deren Periode von der Eingangsspannung U_Ein gemäß Fig. 6b abhängt, wobei allerdings das Tastverhält nis von dem Vergleich des aufgrund des Spannungsabfalls am Widerstand 18 erzeugten Signals mit der Schwellenspan nung abhängt. Die Ausgangsspannung U_AUS wird Mitteln 16 zum digitalen Auswerten zugeführt. Der Verlauf der Aus gangsspannung mit einer beispielhaften Variationsbreite ist in Fig. 6c dargestellt, wo U_AUS gegen t aufgetragen ist.

In Fig. 7 ist in zwei Diagrammen die Abhängigkeit des Tastverhältnisses der Ausgangsspannung U_AUS bei konstanter Periode der Eingangsspannung U_Ein verdeutlicht. Im oberen Teil sind die Spannungsverläufe von U_Ein und U_AUS gegen die Zeit aufgetragen, wobei hier die Umgebung eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Wenn U_Ein ein hohes Niveau annimmt, so wird bei niedriger Wärmeleitfähigkeit λ₂ rasch eine hohe Spannung an dem Widerstand 18 gemäß Fig. 6 abfallen. Diese Spannung wird frühzeitig den Schwellenwert U_S überschreiten, so dass die Ausgangsspan nung U_AUS ebenfalls frühzeitig ihren oberen Wert annimmt. Nach dem Zeitpunkt t1, zu dem die Eingangsspannung U_Ein auf einen niedrigen Wert beziehungsweise auf Null ge bracht wird, dauert es eine vergleichsweise lange Zeit, bis die über dem Widerstand 18 gemäß Fig. 6 abfallende Spannung wieder unter den Schwellenwert U_S abfällt, so dass auch die Ausgangsspannung U_AUS erst nach einer ver gleichsweise langen Zeit wieder auf ihren unteren Wert abfällt. Bei einer höheren Wärmeleitfähigkeit des umge benden Mediums (Gasgemisches) erhöht sich die Temperatur des Widerstandes 18 gemäß Fig. 6 langsamer, so dass es auch länger dauert, bis die an dem Widerstand 18 gemäß Fig. 6 abfallende Spannung den Schwellenwert U_S über schreitet. Demzufolge nimmt die Ausgangsspannung U_AUS erst nach einer vergleichsweise langen Zeit ihren oberen Wert an, wie es im unteren Teil von Fig. 7 zu erkennen ist. Nach dem Umschalten der Eingangsspannung U_Ein auf einen niedrigen Wert oder auf Null zum Zeitpunkt t1 geht auch die Ausgangsspannung U_AUS rasch auf ihren unteren Wert, da die an dem temperaturabhängigen Widerstand 18 abfallende Spannung rasch wieder unter den Schwellenwert U_S abfällt. Die Länge des Ausgangsspannungssignals U_AUS ist somit ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit λ des Umgebungsgases.

Durch eine geeignete Wahl der Periodendauer der Eingangs spannung U_Ein und der Höhe der Schwellenspannung U_S ist eine Einstellung der Empfindlichkeit des Tastverhältnis ses auf Wärmeleitfähigkeitsänderungen möglich. Schwankun gen der Umgebungstemperatur können durch eine von der Umgebungstemperatur abhängige Lage der Schwellenwertspan nung kompensiert werden.

An dieser Stelle wird auch besonders deutlich, dass ge genüber einem statischen Betrieb des Sensors eine stark verringerte Heizleistung in Abhängigkeit der Periodendau er und des Tastverhältnisses des rechteckförmigen Heiz stroms erreicht werden kann.

Fig. 8 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung einer ande ren Auswertemöglichkeit der Aufheiz-Abkühlkurve. Bei der Auswertung gemäß Fig. 8 wird nur der Aufheiz-Teil der Aufheiz-Abkühlkurve verwendet. Die nachfolgende Erläute rung dieses Auswerteverfahrens ist exemplarisch für die Auswertung eines Teils der Aufheiz-Abkühlkurve, da bei spielsweise auch ausschließlich der Abkühl-Teil der Auf heiz-Abkühlkurve für die Auswertung verwendet werden kann. Im oberen Teil von Fig. 8 sind Spannungen bezie hungsweise ein Strom in Abhängigkeit der Zeit t aufgetra gen. Wiederum ist der Zeitpunkt t1 der Zeitpunkt des periodischen "Abschaltens" der Eingangsspannung U_Ein, während der Zeitpunkt t2 der Zeitpunkt des periodischen "Einschaltens" der Eingangsspannung U_Ein ist. Der Heiz strom I_H hat einen entsprechenden Verlauf.

Im unteren Teil von Fig. 8 ist die an dem temperaturab hängigen Widerstand 18 abfallende Spannung U_MK gegen die Zeit t aufgetragen. Die unterschiedlichen Spannungsver läufe hängen von den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkei ten λ des Umgebungsgases ab. Bei hoher Wärmeleitfähigkeit λ₁ steigt die Spannung U_MK langsam an, wie es im Zusammen hang mit Fig. 5 erläutert wurde. Bei niedrigerer Wärme leitfähigkeit λ₂ findet ein schnellerer Anstieg der Span nung U_MK statt. Ein nochmals schnellerer Anstieg findet bei einer Wärmeleitfähigkeit λ₃ statt, welche geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit λ₂. Folglich wird bei hoher Wärmeleitfähigkeit der Schwellenwert U_S, welcher im unteren Teil der Fig. 8 eingezeichnet ist, zu einem späten Zeitpunkt überschritten, das heißt zu einem Zeit punkt, welcher nahe bei dem Zeitpunkt t1 liegt. Folglich erreicht die Ausgangsspannung U_AUS zu einem Zeitpunkt kurz vor dem Zeitpunkt t1 das hohe Niveau. Bei höherer Wärme leitfähigkeit λ₂ des Umgebungsgases erreicht die Spannung U_MK früher den Schwellenwert U_S. Folglich erlangt auch die Ausgangsspannung U_S früher das hohe Niveau. Bei noch höherer Spannung erreicht die Spannung U_MK noch früher den Schwellenwert U_S. Auch die Ausgangsspannung erreicht mithin zu einem sehr frühen Zeitpunkt vor t1 das hohe Niveau. Bezeichnet man den Zeitraum zwischen dem Übergang der Ausgangsspannung von niedrigem Niveau auf hohes Ni veau und dem Zeitpunkt t1 mit ΔT_High, so lässt sich durch die Messung der Werte für ΔT_High auf die Wärmeleitfähig keiten des Umgebungsgases rückschließen.

In den Fig. 9 bis 11 sind drei Auswerteergebnisse mikromechanischer Wärmeleitfähigkeitssensoren darge stellt, welche auf der vorliegenden Erfindung basieren. Die unterschiedlichen Signale, welche in den Fig. 9 bis 11 dargestellt sind, können unterschiedlich skaliert sein, obwohl sie in demselben Diagramm dargestellt sind.

Fig. 9 zeigt ein Auswerteergebnis mit reiner Luft als Umgebungsgas. Es liegt somit ein System mit vergleichs weise geringer Wärmeleitfähigkeit vor. Die Eingangsspan nung U_Ein ist eine Rechteckspannung. Die über dem tempera turabhängigen Widerstand 18 gemäß Fig. 6 abfallende Spannung U_MK steigt mit dem "Einschalten" der Eingangs spannung U_Ein an, und sie erreicht sehr schnell die Schwellenspannung U_S. Die Ausgangsspannung liegt daher auch praktisch unmittelbar nach dem Einschalten der Ein gangsspannung U_Ein auf hohem Niveau. Nach dem Ausschalten der Eingangsspannung U_Ein sinkt auch die Spannung über dem Widerstand 18 gemäß Fig. 6 ab. Allerdings sinkt sie erst sehr spät unter die Schwellenspannung U_S ab. Die Aus gangsspannung kann daher auch erst sehr spät den niedri gen Wert annehmen. In der Darstellung gemäß Fig. 9 ist es sogar so, dass das Abfallen der Ausgangsspannung nur als kurzer "Zacken" des Ausgangsspannungsverlaufes zu erkennen ist. Das Tastverhältnis der Ausgangsspannung beträgt somit nahezu 100%. Eine solche Einstellung der Schwellenspannung U_S und der Periodendauer der Eingangs spannung U_Ein bietet sich an, wenn Beimischungen von Gasen zu Luft untersucht werden sollen. Es liegt somit von vornherein eine Normierung der Auswerteergebnisse vor.

Fig. 10 zeigt Messergebnisse für ein Umgebungsgas, wel ches aus 50 Vol.-% Luft und 50 Vol.-% Helium besteht. Das Gas weist aufgrund des Heliumanteils eine im Vergleich zu reiner. Luft stark vergrößerte Wärmeleitfähigkeit auf. Aus diesem Grund steigt die Kurve U_MK in Fig. 10 langsamer an als die Kurve U_MK in Fig. 9, so dass der Schwellen wert U_s von der Spannung U_MK erst später erreicht wird, als im Fall von Fig. 9 bei reiner Luft. Folglich nimmt auch die Ausgangsspannung U_AUS erst zu einem späteren Zeitpunkt den oberen Wert an. Nach dem "Ausschalten" der Eingangsspannung U_Ein sinkt die Spannung U_MK wieder ab. Wenn sie die Schwellenspannung U_s unterschreitet geht auch die Ausgangsspannung auf ihren unteren Wert zurück. Es liegt ein mittleres Tastverhältnis der Ausgangsspan nung U_AUS vor.

In Fig. 11 sind Auswertungsergebnisse für reines Helium dargestellt. Es liegt somit ein Gas mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit vor. Demzufolge ist die Ausgangsspan nung U_AUS während einer vergleichsweise kurzen Zeit auf hohem Niveau und für eine längere Zeit auf niedrigem Niveau.

Dem Fachmann ist klar, dass mit der vorliegenden Erfin dung nicht nur die Wärmeleitfähigkeit von Gasen und Gas gemischen, sondern auch diejenige von anderen Medien, beispielsweise von Flüssigkeiten, gemessen werden kann.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrati ven Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit
Mitteln (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung,
Mitteln (12) zum Bereitstellen eines Messstroms und
Mitteln (18) zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel (10) zum Bereitstellen einer Heiz spannung eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung stellen und
dass Mittel (14) zum Vergleichen des temperaturabhän gigen Spannungsabfalls mit einer Schwellenspannung und zum Erzeugen einer sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspannung liegt, und
dass die Ausgangsspannung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Mittel (10) zum Bereitstellen einer Heizspannung eine periodisch gepulste Heizspannung zur Verfügung stellen.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (16) zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel (16) zum digitalen Auswerten der sich zeitlich verändernden Ausgangsspannung einen Zähler aufweisen und
dass ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausge wertet wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls einen tempe raturabhängigen Widerstand (18) umfassen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand (18) ein Platinwiderstand ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (18) zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls auf einer Membran angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (10) zum Bereit stellen einer Heizspannung mit einem Heizwiderstand (20) zusammenwirken.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls und der Heiz widerstand identisch sind.

11. Verfahren zum Messen einer Wärmeleitfähigkeit mit den Schritten:
Bereitstellen einer Heizspannung,
Bereitstellen eines Messstroms und
Erzeugen eines temperaturabhängigen Spannungsabfalls,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine sich zeitlich verändernde Heizspannung zur Verfügung gestellt wird,
dass der temperaturabhängige Spannungsabfall mit einer Schwellenspannung verglichen wird und
dass eine sich zeitlich verändernde Ausgangsspannung erzeugt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangsspannung einen ersten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall unterhalb der Schwellenspannung liegt, und
dass die Ausgangsspannung einen zweiten Wert hat, wenn der temperaturabhängige Spannungsabfall oberhalb der Schwellenspannung liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass eine periodisch gepulste Heizspannung zur Verfügung gestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zeitlich verändernde Aus gangsspannung digital ausgewertet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
dass zur digitalen Auswertung der sich zeitlich ver ändernden Ausgangsspannung ein Zähler verwendet wird und
dass ein Tastverhältnis der Ausgangsspannung ausge wertet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Spannungsab fall mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes (18) erzeugt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturabhängiger Widerstand (18) ein Platinwiderstand verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen einer Heizleistung ein Heizwiderstand (20) verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturabhängiger Widerstand und als Heizwiderstand derselbe Widerstand verwendet wird.

20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeich net, dass die Wärmeleitfähigkeit eines Gases gemessen wird.

21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas ein Gasgemisch ist.

22. Verwendung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn zeichnet, dass eine quantitative Analyse eines Gasgemi sches durchgeführt wird.