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 typischer Gase sind in Tabelle 1 aufge- führt.

Tabelle 1 : GasH2 He Luft C (. CO N2 Wärmeleitfähigkeit 0,184 0, 15 0,026 0,016 0, 025 0,026 2 [W/ (mK)] Anhand von Figur 1 werden die Prinzipien der Wärmeleitfä- higkeitsmessung erläutert. Um die Wärmeleitfähigkeit eines Gases zu messen, wird ein Körper auf eine Tempera- tur TK gebracht, welche größer ist, als die Temperatur des den Körper umgebenden Gases. Das Gas befindet sich auf Umgebungstemperatur Tu (TE > TU). Eine Heizleistung PH wird benötigt, um die Temperaturdifferenz AT = TEX-TU konstant zu halten. Diese Heizleistung PH ist direkt proportional zur Wärmeleitfähigkeit X des Gases : PH = K T.

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

Figur 2 zeigt einen mikromechanischen Wärmeleitfähig- keitssensor auf Siliziumbasis. Derartige Sensoren werden zunehmend verwendet und weiterentwickelt,. insbesondere, da sie aufgrund der Miniaturisierung einen geringen Leis- tungsverbrauch haben und eine kurze Ansprechzeit aufwei- sen. Figur 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 Tu verwendet. Ober die elektrischen Anschlüsse 128 wird den temperaturabhängigen Widerständen 124 eine erhöhte Temperatur vermittelt, so dass die An- ordnung auf der Membran 122 als TE-Sensor wirkt. Für die Ansteuerung der Sensoren werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Entweder wird die Temperaturdifferenz AT = TK - Tu zwischen Membran und umgebendem Gas konstant gehal- ten, und die dafür benötigte Heizleistung PH 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 weitere- 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 Ansteue-

rung 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 : Figur 1 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Prin- zips einer Wärmeleitfähigkeitsmessung ; Figur 2 zeigt den Aufbau eines mikromechanischen Wärme- leitfähigkeitssensors ; Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Erfindung ; Figur 4 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin- dung ; Figur 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erfin- dung ;

Figur 6 zeigt eine Schaltskizze und zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfindung ; Figur 7 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin- dung ; Figur 8 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin- dung ; Figur 9 zeigt ein erstes Ergebnis einer Wärmeleitfähig- keitsmessung ; Figur 10 zeigt ein zweites Ergebnis einer Wärmeleitfä- higkeitsmessung ; und Figur 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 Membrantemperaturfühler-

widerständen ohne Beschränkung der Allgemeinheit be- schieben.

In Figur 3 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Wärmeleitfähigkeitssensors dargestellt. Ein Heizwider- stand RH wird von einem Strom IH durchflossen, wobei an dem Heizwiderstand RH eine von der Temperatur T abhängi- ge Spannung UH abfällt. Ein weiterer Widerstand Rrn wird von einem Messstrom IMR durchflossen, wobei an dem Wider- stand Rrn eine von der Temperatur Tu des Körpers abhängige Spannung UMK abfällt. Ein dritter Widerstand RTU wird von einem Strom IMU durchflbssen, wobei an dem Widerstand RTU eine von der Temperatur Tu der Umgebung abhängige Span- nung Umu abfällt. Der Widerstand RH dient somit dazu, den Körper, auf die Temperatur TE zu bringen, während der Widerstand RTK einen temperaturabhängigen Spannungsabfall UME zur Verfügung stellt.

Figur 4 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung der Erfin- dung. In Figur 4a ist ein möglicher Verlauf des Heiz- stroms IH gegen die Zeit t aufgetragen. Der Heizstrom IH hat einen rechteckförmigen Verlauf, wobei er zum Zeit- punkt tl seinen Wert von IH2 auf Ini ändert ; zum Zeitpunkt t2 ändert sich der Wert wiederum auf IH2. In Figur 4b sind diesem Heizstrom entsprechende Temperaturverläufe TK des erwärmten Körpers, das heißt vorzugsweise der Memb- ran, in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Es sind Verläufe der Temperatur Tu in Abhängigkeit unterschiedli- cher Wärmeleitfähigkeiten X des umgebenden Mediums ge- zeigt, wobei gilt kl > 1b2 > 7b3. Es ist zu erkennen, dass die Membrantemperatur Tu bei hohem Heizstrom IH2 ansteigt.

Wird der Heizstrom zum Zeitpunkt tl auf Im erniedrigt, so sinkt die Membrantemperatur T'K wieder ab. Dieses Ab- sinken setzt sich fort, bis der Heizstrom IH zum Zeit- punkt t2 wieder auf IH2 erhöht wird. Der Anstieg der Membrantemperatur Tu ist umso steiler je niedriger die 5 Wärmeleitfähigkeit X des Umgebungsgases ist. Der Abfall der Membrantemperatur Tu ist umso steiler je höher die Wärmeleitfähigkeit X des Umgebungsgases ist.

Der Temperaturverlauf während der Aufheizphase gehorcht 10 im Wesentlichen der folgenden Gleichung : Der Temperaturverlauf während der Abkühlphase verläuft gemäß der nachfolgenden Gleichung : 15 Dabei bezeichnen : Rth : thermischer Widerstand der Wärmeableitung ; 20 Cth : Wärmekapazität der Membran ; TK, max : Temperatur der Membran bei Beendigung des Auf- heizvorgangs.

Der thermische Widerstand Rth der Wärmeableitung von der 25 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 Tu oberhalb einer Schwellentemperatur Ts liegt, die ebenfalls in Figur 4b eingezeichnet ist, ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit.

Umgekehrt ist auch die Zeit, während welcher die Tempera- tur Tu unterhalb der Schwellentemperatur Ts liegt, ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit . Somit kann die Messung dieser Zeit genutzt werden, um eine. direkte Messung des Membrantemperaturfühlerwiderstandes oder des Heizwider- standes zu umgehen. Eine derartige Zeitmessung ist mit einer digitalen Auswerteschaltung leicht möglich.

Figur 5 zeigt den Spannungsverlauf Uns in Abhängigkeit der Zeit t an einem temperaturabhängigen Widerstand, der den in Figur 4b dargestellten Temperaturänderungen ausge- setzt ist. Wiederum sind drei Kurven in das Diagramm gemäß Figur 5 eingezeichnet, wobei diese den Spannungs- verlauf für verschiedene Wärmeleitfähigl-, eiten 2"1 > ? b2 > ? b3 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 Us für die an dem temperaturabhängigen Widerstand abfallende Spannung UMK festgelegt werden. Dieser Schwel- lenwert wird dann zur Bestimmung der Zeiten verwendet, die letztlich digital ausgewertet werden. Bei hoher Leit- fähigkeit des Umgebungsgases, beispielsweise bei einer

Leitfähigkeit entsprechend der unteren Kurve in Figur 5, ist die Zeit kurz, während welcher die Spannung UMER ober- halb des Schwellenwertes Us 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 Us während eines langen Zeitraums überschritten, so dass hieraus auf eine niedri- ge Wärmeleitfähigkeit des Umgebungsgases rückgeschlossen werden kann.

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

Dieser Messstrom It,,R wird im Wesentlichen durch einen Widerstand 18 geleitet, welcher mit Erde verbunden ist und einen temperaturabhängigen Wert RTR 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 Us zugeführt. Auf diese Weise wird eine Aus- gangsspannung UAUS am Ausgang 14 des Differenzverstärkers 14 erzeugt, deren Periode von der Eingangsspannung UEin 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 UAUS wird Mitteln 16 zum digitalen Auswerten zugeführt. Der Verlauf der Aus- gangsspannung mit einer beispielhaften Variationsbreite ist in Figur 6c dargestellt, wo UAUS gegen t aufgetragen ist.

In Figur 7 ist in zwei Diagrammen die Abhängigkeit des Tastverhältnisses der Ausgangsspannung UAUS bei konstanter

Periode der Eingangsspannung UEin verdeutlicht. im oberen Teil sind die Spannungsverläufe von UFin und UAUS gegen die Zeit aufgetragen, wobei hier die Umgebung eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Wenn Uein ein hohes Niveau annimmt, so wird bei niedriger Wärmeleitfähigkeit 2 rasch eine hohe Spannung an dem Widerstand 18 gemäß Figur 6 abfallen. Diese Spannung wird frühzeitig den Schwellenwert Us überschreiten, so dass die Ausgangsspan- nung UAUs-ebenfalls frühzeitig ihren oberen Wert annimmt.

Nach dem Zeitpunkt tl, zu dem die Eingangsspannung UEin auf einen niedrigen Wert beziehungsweise auf Null ge- bracht wird, dauert es eine vergleichsweise lange Zeit, bis die über dem Widerstand 18 gemäß Figur 6 abfallende Spannung wieder unter den Schwellenwert Us abfällt, so dass auch die Ausgangsspannung UAUS 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 Figur 6 langsamer, so dass es auch länger dauert, bis die an dem Widerstand 18 gemäß Figur 6 abfallende Spannung den Schwellenwert Us über- schreitet. Demzufolge nimmt die Ausgangsspannung UAUS erst nach einer vergleichsweise langen Zeit ihren oberen Wert an, wie es im unteren Teil von Figur 7 zu erkennen ist.

Nach dem Umschalten der Eingangsspannung UEin auf einen niedrigen Wert oder auf Null zum Zeitpunkt tl geht auch die Ausgangsspannung UAUS rasch auf ihren unteren Wert, da die an dem temperaturabhängigen Widerstand 18 abfallende Spannung rasch wieder unter den Schwellenwert Us abfällt.

Die Länge des Ausgangsspannungssignals UAUS ist somit ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit X des Umgebungsgases.

Durch eine geeignete Wahl der Periodendauer der Eingangs- spannung UEin und der Höhe der Schwellenspannung Us 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.

Figur 8 zeigt zwei Diagramme zur Erläuterung einer ande- ren Auswertemöglichkeit der Aufheiz-Abkühlkurve. Bei der Auswertung gemäß Figur 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-Abkühll-urve für die Auswertung verwendet werden kann. Im oberen Teil von Figur 8 sind Spannungen bezie- hungsweise ein Strom in Abhängigkeit der Zeit t aufgetra- gen. Wiederum ist der Zeitpunkt tl der Zeitpunkt des <BR> <BR> periodischen"Abschaltens"der Eingangsspannung UEin, während der Zeitpunkt t2 der Zeitpunkt des periodischen "Einschaltens"der Eingangsspannung UEin ist. Der Heiz- strom IH hat einen entsprechenden Verlauf.

Im unteren Teil von Figur 8 ist die an dem temperaturab- hängigen Widerstand 18 abfallende Spannung UME gegen die

Zeit t aufgetragen. Die unterschiedlichen Spannungsver- läufe hängen von den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkei- ten des Umgebungsgases ab. Bei hoher Wärmeleitfähigkeit Sl steigt die Spannung UMFV langsam an, wie es im Zusammen- hang mit Figur 5 erläutert wurde. Bei niedrigerer Wärme- leitfähigkeit 9, 2 findet ein schnellerer Anstieg der Span- nung Dun statt. Ein nochmals schnellerer Anstieg findet bei einer. Wärmeleitfähigkeit B3 statt, welche geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit A2. Folglich wird bei hoher Wärmeleitfähigkeit der Schwellenwert Us, welcher im unteren Teil der Figur 8 eingezeichnet ist, zu einem späten Zeitpunkt überschritten, das heißt zu einem Zeit-. punkt, welcher nahe bei dem Zeitpunkt tl liegt. Folglich erreicht die Ausgangsspannung UAUS zu einem Zeitpunkt kurz vor dem Zeitpunkt tl das hohe Niveau. Bei höherer Wärme- leitfähiglceit ?,,2 des Umgebungsgases erreicht die Spannung UMK früher den Schwellenwert Us. Folglich erlangt auch die Ausgangsspannung Us früher das hohe Niveau. Bei noch höherer Spannung erreicht die Spannung Unn noch früher den Schwellenwert Us. Auch die Ausgangsspannung erreicht mithin zu einem sehr frühen Zeitpunkt vor tl das hohe Niveau. Bezeichnet man den Zeitraum zwischen dem Übergang der Ausgangsspannung von niedrigem Niveau auf hohes Ni- veau und dem Zeitpunkt tl mit ATHigh, so lässt sich durch die Messung der Werte für ATHigh auf die Wärmeleitfähig- keiten des Umgebungsgases rückschließen.

In den Figuren 9 bis 11 sind drei Auswerteergebnisse mikromechanischer Wärmeleitfähigkeitssensoren darge- stellt, welche auf der vorliegenden Erfindung basieren.

Die unterschiedlichen Signale, welche in den Figuren 9

bis 11 dargestellt sind, können unterschiedlich skaliert sein, obwohl sie in demselben Diagramm dargestellt sind.

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

Figur 10 zeigt Messergebnisse für ein Umgebungsgas, 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 UNS in Figur 10 langsamer

an als die Kurve URF in Figur 9, so dass der Schwellen- wert Us von der Spannung Umiz erst später erreicht wird, als im Fall von Figur 9 bei reiner Luft. Folglich nimmt auch die Ausgangsspannung UAUS erst zu einem späteren Zeitpunkt den oberen Wert an. Nach dem"Ausschalten"der Eingangsspannung UEin sinkt die Spannung Unn wieder ab.

Wenn sie die Schwellenspannung Us unterschreitet geht auch die Ausgangsspannung auf ihren unteren Wert zurüclc.

Es liegt ein mittleres Tastverhältnis der Ausgangsspan- nung UAUS vor.

In Figur 11 sind Auswertungsergebnisse für reines Helium dargestellt. Es liegt somit ein Gas mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit vor. Demzufolge ist die Ausgangsspan- nung UAIJS 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.