Messanordnung mit in Gaswegen angeordneten elektrisch beheizten Widerständen

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung mit in Gaswegen angeordneten elektrisch beheizten Widerständen.

Aus der DE 10 2009 014 618 AI ist ein Wärmeleitfähigkeits- detektor für die Gasanalyse bekannt, bei zwei elektrisch be ^¬ heizbare Heizfäden aus Gold oder Platin hintereinander in der Mitte eines Kanals von einem Gas umströmbar gelagert sind und dazu an ihren Enden jeweils an einem den Kanal durchquerenden elektrisch leitenden Träger gehalten ist. In der Praxis wer- den die vier Heizfäden von zwei solchen Wärmeleitfähigkeitsdetektoren zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, wobei der eine Wärmeleitfähigkeitsdetektor mit einem Messgas und der andere mit einem Vergleichs- oder Nullgas beströmt wird und die von jeweils demselben Gas umströmten Heizfäden in der Wheatstone-Brücke einander diagonal gegenüber liegen.

Aus der WO 2009/153099 AI ist ein Mikroströmungsfühler, ebenfalls für die Gasanalyse, bekannt, bei dem zwei elektrisch beheizbare Gitter hintereinander in einem Gasweg angeordnet sind. Die Gitter können aus Silizium oder Metall bestehen und sind zusammen mit Ergänzungswiderständen zu einer Wheatstone- Brücke verschaltet. Die Ergänzungswiderstände können von den Gittern eines weiteren Mikroströmungsfühlers gebildet werden. Bei einer aus der DE 102 30 198 AI bekannten Messanordnung sind zwei elektrisch beheizte Widerstände zusammen mit zwei Ergänzungswiderständen in einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind, wobei die elektrisch beheizten Widerstände einander diagonal gegenüber liegen und einer der Ergänzungswiderstände zum Abgleich der Brücke veränderbar ist. Zur Eliminierung von Offsetspannungen und langsamen Signaldriften aufgrund von Temperaturänderungen wird die an der Brücke erfasste Mess ^¬ spannung bandpassgefiltert . Die EP 0 348 245 A2 zeigt eine Messanordnung mit einem fremd beheizten Temperaturmesswiderstand und drei Ergänzungswider ^¬ ständen in einer Wheatstone-Brücke, wobei einer der Ergänzungswiderstände zum Abgleich der Brücke veränderbar ist.

Aus der DE 14 73 303 A ist eine Messanordnung mit zwei Heizwiderständen zur Beheizung einer Messsubstanz und einer Referenzsubstanz bekannt. Die Wärmeaufnahme der jeweiligen Substanz wird mittels zweier Temperaturmesswiderstände in einer Wheatstone-Brücke erfasst. Mit der an der Brücke er- fassten Messspannung wird die Energiezufuhr für die Heizwiderstände geregelt.

Für die Messgenauigkeit ist es wichtig, dass das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände in jeder der beiden Brückenhälften gleich ist. Ansonsten ist die Brücke verstimmt. Jedoch sind mikromechanische Messanordnungen wie der bekannte Wärmeleitfähigkeitsdetektor oder Mikroströmungs- fühler in der Fertigung schwer zu beherrschen. Die Auswahl passender Widerstände ist durch Fertigungsschwankungen und, bedingt durch Fertigungs-Chargengrößen, vergleichsweise geringe Auswahlmengen eingeschränkt.

Insbesondere erweist sich als problematisch, dass sich die vier Widerstände der Brücke mit der Zeit mehr oder weniger stark verändern können. Zusätzlich laufen die Veränderungen, zumindest am Anfang, noch in zufällige Richtungen. D. h. die Werte mancher Widerstände nehmen in den ersten Betriebstagen oder -wochen ab, andere hingegen zu. Nach einer vergleichsweise langen Einlaufzeit beginnen dann die Werte aller Wider stände sehr langsam aber monoton zu steigen, bis diese am En de ihrer Lebensdauer zerstört sind. Die anfänglichen Verände rungen sind in ihrer Richtung nicht vorhersagbar und können daher im Einzelfall zu einer großen und sehr lange anhaltenden Verstimmung der Brücke führen, auch wenn diese aus mit einem hohen Aufwand selektierten Elementen besteht. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kompen ^¬ sation dieser langsamen Verstimmung der Brücke und im Weiteren deutlich größere Schwankungsbreiten bei der Selektion der Widerstände oder sogar einen Verzicht der Selektion zu ermög ^¬ lichen .

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene Messanordnung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Messanordnung mit vier elektrisch beheizten Widerständen, die in Gaswegen angeordnet und zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind, wo ^¬ bei jeweils zwei in der Wheatstone-Brücke einander diagonal gegenüber liegende Widerstände in einem Bauteil enthalten sind, beide Bauteile auf einem gemeinsamen beheizten Träger angeordnet sind, jedem der beiden Bauteile jeweils ein Heiz ^¬ widerstand zugeordnet ist, die beiden Bauteile zwischen den Heizwiderständen liegend zusammen mit den ihnen jeweils zugeordneten Heizwiderständen zueinander spiegelsymmetrisch auf dem Träger angeordnet sind, und wobei durch

unterschiedliche Bestromung der Heizwiderstände eine

Verstimmung der Wheatstone-Brücke kompensiert wird.

Ausgehend von dem über den beheizten Träger eingestellten und konstant gehaltenen Temperaturniveau der Brückenschaltung wird bei einer Verstimmung der Brücke je nach Richtung der Verstimmung entweder der eine oder der andere Heizwiderstand bestromt, um das Temperaturniveau im Bereich des zugeordneten Bauteils mit den darin enthaltenen und in der Brücke einander diagonal gegenüber liegenden Widerständen anzuheben. Es hat sich gezeigt, dass sich praxisübliche Verstimmungen der

Brücke von unter einem Prozent mit einem Temperaturunterschied von nur wenigen Kelvin zwischen den Bauteilen vollständig kompensieren lassen, so dass als Heizwiderstände handelsübliche SMD-Widerstände verwendet werden können und die erforderliche Heizleistung gering ist. Da die beiden Bauteile zusammen mit den zugeordneten Heizwiderständen zueinander spiegelsymmetrisch, vorzugsweise auch punktsymmetrisch auf dem Träger angeordnet sind, kann die Kompensation der Verstimmung für beide Richtung

übereinstimmend dimensioniert werden.

Bei den Bauteilen mit den darin enthaltenen elektrisch beheizten Widerständen handelt es sich vorzugsweise um

Wärmeleitfähigkeitsdetektoren oder Mikroströmungsfühler.

Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Messanordnung anhand eines in den Figuren der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert; im Einzelnen zeigen: Figur 1 eine Draufsicht auf die Messanordnung in Form einer

Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) -Anordnung mit vier elektrisch beheizbaren Widerständen und

Figur 2 die Verschaltung der Widerstände zu einer Wheat- stone-Brücke .

Figur 1 zeigt einen plattenförmigen Träger 1 mit einer darin oder auf der Unterseite ausgebildeten elektrisch betriebenen Flächenheizung 2 in Form einer Heizschlange. Auf der Obersei- te des Trägers 1 sind zwei mikromechanisch gefertigte Bautei ^¬ le (WLD-Chips) 3 und 4, zwei Heizwiderstände Ri und R ₂ und ein Temperaturmesswiderstand R _T angeordnet. Der Heizwider ^¬ stand Ri ist in der Nähe des WLD-Chips 3 und der Heizwider ^¬ stand R ₂ in der Nähe des WLD-Chips 4 angeordnet. Der WLD-Chip 3 und der Heizwiderstand Ri liegen Spiegel- und punktsymme ^¬ trisch zu dem WLD-Chip 4 und dem Heizwiderstand R ₂ , wobei die Spiegelachse 5 in der Mitte des Trägers 1 und der Flächenhei ^¬ zung 2 verläuft und der Temperaturmesswiderstand R _T auf der Spiegelachse 5 mittig zwischen den WLD-Chips 3, 4 bzw. den Heizwiderständen R _lr R ₂ liegt.

Die beiden WLD-Chips 3 und 4 sind identisch aufgebaut und enthalten jeweils einen Gasweg 6, in dessen Mitte hinter- einander zwei elektrisch beheizbare Widerstände (Heizfäden) R _A , R _B bzw. R _c , RD jeweils zwischen zwei den Gasweg 6 durch ^¬ querenden elektrisch leitenden Trägern 7 gehalten sind. Der Gasweg 6 in dem einen WLD-Chip, z. B. 3, wird von einem Mess- gas und der des anderen Bauteils, z. B. 4, von einem Vergleichsgas durchströmt. Jeder WLD-Chip 3, 4 besteht aus einer unteren Trägerplatte 8 und einer oberen Trägerplatte 9, zwi ^¬ schen denen der Gasweg 6, die Träger 7 und die Widerstände R _A , R _B bzw. R _c , RD ausgebildet bzw. angeordnet sind. Zur bes- seren Veranschaulichung ist bei dem WLD-Chip 3 die obere Trägerplatte entfernt. Die Gase werden über Kapillaren 10 (nur bei WLD-Chip 4 gezeigt) zu- und abgeführt.

Figur 2 zeigt die Verschaltung der Widerstände R _A , R _B , Rc r RD zu einer Wheatstone-Brücke, die mit einer Spannung Uo ge ^¬ speist wird und eine Mess- oder Ausgangsspannung U _s erzeugt. Die Widerstände R _A , R _B bzw. R _c , RD jeweils eines WLD-Chips 3 bzw. 4 liegen in der Brücke einander diagonal gegenüber. Um die Messungen über längere Zeiträume vergleichbar zu halten wird die Wheatstone-Brücke thermostatisiert betrieben, d. h. mittels der Flächenheizung 2, des Temperaturmesswiderstands R _T und einem hier nicht gezeigten Regler werden alle vier Widerstände R _A , R _B , R _c und R _D auf gleicher Temperatur gehalten. Dadurch und durch geeignete Auswahl der Widerstandswerte von R _A , R _B , R _c und R _D können durch die Brücken ^¬ schaltung Störungen aus der Versorgung (Uo) und deren Lei ^¬ tungsführung stark unterdrückt werden. Die Auswahl der Widerstandswerte ist jedoch durch Fertigungs ^¬ schwankungen und Auswahlmengen (bedingt durch Fertigungs- Chargengrößen) eingeschränkt. In der bisherigen Praxis wurden bei ±l,5%-iger Schwankungsbreite zwischen je R _A /Rc und R _D /R _B noch akzeptable Verhältnisse erhalten.

Bei gleichem Messbedingungen an allen Widerständen R _A , R _B , R _c und R _D gilt für die Brückenverstimmung: V = U _s / U ₀ . Diese Brückenverstimmung V lässt sich nun kompensieren (d. h. U _s = 0 V) , indem je nach Richtung der Verstimmung zusätzlich zur Flächenheizung 2 entweder der Heizwiderstand Ri den WLD- Chip 3 mit den Widerständen R _A , R _B auf eine Temperatur i oder der Heizwiderstand R2 den WLD-Chip 3 mit den Widerständen R _c , R _D auf eine Temperatur T ₂ erwärmt.

Die einzelnen Widerstände in der Brücke gehorchen folgender Temperaturabhängigkeit :

RA, B = R ₂ OA, B (1 + α ΔΤι) und wobei R2 ₀ den Widerstandswert bei 20 °C, den materialabhän ^¬ gigen Temperaturkoeffizient und ΔΤ = T - 20 °C den Tempera ^¬ turunterschied des Widerstands gegenüber 20 °C bezeichnen.

Aufgrund der Temperierung durch die Flächenheizung 2 gilt:

ΔΤι, ₂ = T i, 2 - 20 °C = (T _FH - 20 °C) + ( T i, ₂ - T _FH ) , d. h., die Heizleistung für den Heizwiderstand Ri bzw. R ₂ muss lediglich eine Temperaturerhöhung gegenüber der Tempe- ratur AT _FH der Flächenheizung 2 erbringen.

Die Verstimmung der Brücke ermittelt sich nun zu: R _20B (l + ocAT R _20D (l + αΔΤ ₂ )

R _20B (l + αΔΤ,) + R _20c (l + αΔΤ ₂ ) R _20A (l + αΔΤ,) + R _20D (l + αΔΤ ₂ ) ^'

Unter der Annahme, dass αΔΤι _ί2 << 1 ist, vereinfacht sich der Ausdruck zu: R _20B (l + αΔΤ,) _ R _20D (l + αΔΤ ₂ )

p Ό p p

^20Β ^τ ^200 ^20Α ^τ ^20ϋ

Weiterhin kann angenommen werden, dass alle vier Kaltwiderstände sehr ähnlich sind, d. h: R ₂ OA ~ R20B ~ R20C ~ R2OD- Dies vereinfacht den Ausdruck nochmals zu:

V = -(ΔΤ, - ΔΤ ₂ ).

Berücksichtigt man nun wieder eine unvermeidliche Grundver- Stimmung Vo der Brücke und versucht diese zu kompensieren, so ergibt sich:

V = V ₀ + ^ (ΔΤ, - ΔΤ ₂ ) = 0 => ΔΤ, - ΔΤ ₂ = ^ .

2 α Man muss also lediglich je nach Richtung der Verstimmung Vo den Heizwiderstand Ri oder R2 soweit bestromen, dass dessen Leistung ein ΔΤ = (ΔΊΊ - ΔΤ2 ) ergibt, das sich mit 2Vo/ die Waage hält. Bei praxisüblichen Verstimmungen von Vo = ±0,5 % und einem

Temperaturkoeffizienten = 4·10 ^~3 KT ¹ ergibt sich eine vollständige Kompensation mit ΔΤ = 2,5 K. Diese 2,5 K sind mit geringen elektrischen Leistungen erzielbar, so dass hier handelsübliche SMD-Widerstände für Ri und R2 ausreichen.

Im Einzelnen ergeben sich folgende Vorteile:

Mit der Reduzierung der Verstimmung V steigt gleichzeitig die Störunterdrückung S = (1 - V) der Messbrücke stark an. Da- durch wird bei Verwendung der WLD-Anordnung in einem Gas- analysator, wie z. B. Gaschromatographen, die Nachweisgrenze verbessert . Über ein regelmäßiges, automatisches Nach ustieren können Alterungseffekte der WLD-Brücke weitestgehend ausgeglichen werden .

Eine Vorselektierung und Paarung geeigneter WLD-Chips kann entfallen bzw. stark vereinfacht werden.

Alternativ kann eine deutlich breitere Wertemenge von WLD- Chips verwendet werden, was die Ausbeute in der WLD Fertigung erhöht.