DE3527868A1 - Verfahren und messsonde zum sondieren des fuellstandes des massenstromes, der fluidart, der fluidzusammensetzung oder dgl. in einem eine oder mehrere fluids enthaltenden behaelter, leitungen oder dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßsonde zum Sondieren des Füllstandes, des Massenstromes, der Fluidart, der Fluidzusammensetzung oder dgl. in einem eine oder mehrere Fluids enthaltendem Behälter, Leitung oder dgl. unter Verwendung einer Meßsonde.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Meßsonde anzugeben, die außerordentlich vielseitig ein­ setzbar ist, außerordentlich kleine Abmessungen aufweisen kann, eine nahezu punktuelle Messung ermöglicht und billig und in großen Stückzahlen leicht herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.

Es ist ein Temperatursensor aus Silicium bekannt, der Temperaturen bis zu 300°C zu messen gestattet (vgl. Funkschau 4/1982, Seiten 47 bis 49). Hierbei handelt es sich um eine rein passive Meßsonde, die der zu messen­ den Temperatur ausgesetzt wird und bei der die Änderung des Widerstandswertes mit der Temperatur meßtechnisch ausgewertet wird. Durch besonderen Aufbau des bekannten Temperatursensors wird erreicht, daß der effektive Wider­ stand nicht schon, wie üblich zwischen 150°C und 200°C rasch abnimmt, sondern auch mit darüber hinaus steigenden Temperaturen weiterhin zunimmt.

Demgegenüber wird bei dem neuen Verfahren die Meßsonde alternierend als aktives Element und als passives Sonden­ element eingesetzt. Dabei wird das Element selbst, das eine vorbestimmte Wärmekapazität aufweist, auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt und es wird gemessen die Abkühlungskurve nach Beendigung des Aufheizvorganges.

Die Abkühlungskurve wird dabei wesentlich durch die Art und den Zustand des Fluids bestimt. Bei stehendem Fluid kann so die Füllstandshöhe gemessen oder überwacht werden. Bei einem Massenstrom kann bei wechselnder Strö­ mungsgeschwindigkeit diese Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden. Bei gleichbleibender Strömung kann die Fluidart bestimmt werden, da die Abkühlungskurve spezifisch von der Fluidart mitbestimmt wird. Kennt man die Abkühlungskurven von bestimmten Fluidarten, so läßt sich aus der Abkühlungskurve auch die Zusammensetzung einer Fluidmischung feststellen. Da auch die bekannte Abkühlungskurve eines bestimmten Fluids durch Fremd­ stoffe, wie Schmutz, beeinflußt wird, können auch die Verschmutzung und der Verschmutzungsgrad eines Fluids auf diese Weise festgestellt werden. Zur Auswertung können auch Größe der Aufheizung oder Abkühlung und die Auf­ heizkurve herangzogen werden.

Bevorzugt wird für die Ausführung des Verfahrens eine Meßsonde aus einem Halbleitermaterial mit volumenmäßigem Stromdurchfluß verwendet. Dieses Halbleitermaterial dient als Heizkörper und ist als integrierte Meßsonde zur Messung der Abkühlungskurve ausgebildet. Die Ver­ wendung von Halbleitermaterial hat den besonderen Vorteil, daß Meßsonden kleinster Abmessungen auf einfache und billige Weise hergestellt werden können, wobei Tempe­ raturen bis zu 300°C ohne Glüheffekte oder dgl. erreicht werden können, so daß die Meßsonde auch unter schwierigen Verhältnissen zuverlässig eingesetzt werden kann. Dabei ist das Halbleitermaterial bevorzugt in einem Miniatur- Metallgehäuse fest eingekapselt, ggf. unter Zwischen­ schaltung von dünnen, wärmeleitenden Isolierschichten, insb. aus Aluminiumnitrid. Die Anordnung kann auch eine Teilkapselung mit z. T. freiliegender Kontaktfläche des Halbleitermaterials sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Draufsicht ein Halbleiterelement in Form eines Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors, das bevor­ zugt als Meßsonde bei dem Verfahren gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Element nach Fig. 1.

Fig. 3 in Draufsicht eine abgewandelte Ausführungsform eines Halbleiterelementes nach Fig. 1.

Fig. 4 eine Baueinheit in Form eines in ein Metallgehäuse eingekapselten Halbleiterelementes als Meßsonde.

Fig. 5 in einfacher schematischer Darstellung die Anwen­ dung einer Meßsonde in einer durchströmten Lei­ tung und

Fig. 6 bis 8 Diagramme, welche zum besseren Verständnis des neuen Verfahrens beitragen sollen.

Als Meßsonde kann jedes Element dienen, das auf elektrische Weise durch Stromdurchfluß aufheizbar ist und zugleich als elektrisches Temperaturfühlelement zur Wirkung gebracht werden kann.

Bevorzugt wird eine Meßsonde verwendet, die aus einem Halbleitermaterial mit volumenmäßigem Stromdurchfluß be­ besteht. Das Halbleiterelement kann als einfache Diode mit P/N-Übergängen oder einfach als Halberleiterstrecke aus­ gebildet sein. In diesem Fall erfolgt die Steuerung des Halbleiterelementes als Heizelement und als Temperatur­ meßelement durch eine äußere Schaltung. Bevorzugt ist je­ jedoch ein Halbleiterelement als Heizelement mit Volumen- Stromdurchfluß, das in Reihe und integriert mit einem Steuerelement ausgebildet ist. Bevorzugt ist es als Sperrschicht-Feldeffekt- Transistor ausgebildet.

Ein solches als Meßsonde verwendetes Element zeigen die Fig. 1 und 2. Das Element besteht aus einem Halb­ leiterplättchen aus einem der üblichen Halbleiterma­ terialien. Insbesondere kann das Plättchen aus Silicium bestehen. Das Siliciumplättchen ist durch entsprechende Dotierungen, wie sie in Fig. 2 angegeben sind, struk­ turiert. Als Halbleiterlement mit integrierter Steuerung weist das Plättchen eine Dicke zwischen 100 und 200 Mikrometer, bevorzugt eine Dicke von etwa 160 Mikrometer auf. Gemäß Fig. 1 und 2 ist eine ringförmige oder ovale Gate-Elektrode 2 vorgesehen, die bis zu einer Tiefe zwischen 1/5 und der Hälfte der Dicke H des Plättchens reicht. Bevorzugt reicht die Dotierungstiefe bis etwa 1/4 der Dicke H des Plättchens 1. Die ringförmige Elek­ trode 2 weist einen kleinsten mittleren Durchmesser von etwa 20 Mikrometer auf. Die Länge kann etwa das Fünffache betragen. Die ringförmige Elektrode umgibt eine zentrale Elektrode 3, die mit der Flächenelektrode 4 auf der entgegengesetzten Seite zusammenwirkt. Das eine ist die Drain-Elektrode und das andere die Source-Elek­ trode, wobei deren Funktion zwischen den Elektroden 3 und 4 vertauscht werden kann.

Eine andere Anordnung einer Meßsonde mit integrierter Steuerung zeigt Fig. 3., Hier sind zwei langgestreckte parallele Elektroden 2 a, 2 b in dem Halbleiterplättchen 1 a vorgesehen, die parallel zu der zentralen Elektrode 3 a verlaufen. Die beiden Elektroden 2 a und 2 b weisen das gleiche Potential auf und bilden gemeinsam die Gate- Elektrode. Auch hier ist der mittlere Abstand zwischen diesen beiden Elektroden 2 a und 2 b bevorzugt gleich dem mittleren kleinsten Durchmesser B der ringförmigen Elektrode nach Fig. 1, nämlich gleich 20 Mikrometer. Auch hier kann die Länge der Elektroden das Fünffache betragen.

Ohne Gate-Elektrode kann das Halbleiterplättchen eine Dicke zwischen 300 und 600, bevorzugt zwischen 400 und 500 Mikrometer aufweisen.

Die Meßsonde ist vorzugsweise zu einer Baueinheit gemäß Fig. 4 ergänzt. Dazu ist das Halbleiterelement 10 in ein Metallgehäuse 12 fest eingekapselt und zwar unter Zwischenschaltung von dünnen Isolierschichten 11 aus einem Material mit gutem Wärmeübergang. Dazu hat sich ganz besonders ein Aluminiumnitrid bewährt. Eine solche Baueinheit kann so ausgebildet werden, daß der thermische Widerstand zwischen dem Halbleiter 10 und dem Metall­ gehäuse 12 nur im Bereich zwischen etwa 0,1 und 0,3°C pro Watt liegt.

Eine solche Baueinheit läßt sich sehr billig und mit sehr kleinen Abmessungen herstellen, so daß auch punkt­ förmige Messungen und Sondierungen in Fluids möglich sind.

Ein Anwendungsfall ist in Fig. 5 gezeigt. Es wird ange­ nommen, daß es sich um einen Ausschnitt einer von einem Fluid durchströmten Rohrleitung 20 handelt. Im Inneren 21 wird die Meßsonde 23 nach der Erfindung so angeordnet, daß sie der Strömung 22 des Fluids ausgesetzt ist. Die Meßsonde 23 kann eine Baueinheit gemäß Fig. 4 sein.

Der Meßsonde 23 wird gemäß Fig. 6 über die Anschluß­ leitungen 24 ein Stromimpuls von vorbestimmter begrenz­ ter Zeitdauer zugeleitet, der ausreicht, die Bauein­ heit auf eine vorbestimmte Temperatur nach Fig. 7 aufzu­ heizen. Die Aufheizung kann durch die Gate-Leitung 25 gesteuert werden. Nach Beendigung des Stromimpulses beginnt das Bauelement 23, das eine vorbestimmte Wärme­ kapazität aufweist, abzukühlen. Die in Fig. 7 dargestell­ te Abkühlugskurve hängt von der Fluidart und der Fluid­ geschwindigkeit weitgehend ab. Durch Umschaltung der Leitungen 24 und 25 wird die Abkühlungsgeschwindigkeit durch eine entsprechende Spannungsänderung an dem Meß­ element 23 gemessen und zur Anzeige oder zur Aufzeich­ nung gebracht.

Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Massenstrom durch die Leitung gemessen werden. Diese Anordnung eigent sich somit entweder zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit oder zur Bestimmung des Fluidverbrauches.

Ist die Strömung durch die Leitung 20 konstant, so kann bei wechselnder Fluidart oder Fluidzusammensetzung auch die Fluidart in gleicher Weise bestimmt werden, da jede Fluidart eine spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist, die bei vorbestimmter Strömungsgeschwindigkeit zu einer vorbestimmten Abkühlungskurve der Meßsonde 23 führt. Handelt es sich um ein Fluidgemisch mit vorbestimmter Strömungsgeschwindigkeit und sind die spezifischen Wärme­ leitfähigkeiten der Fluidbestandteile bekannt, so läßt sich mit dieser Messung auch die Fluidzusammensetzung oder das Mischungsverhältnis bestimmen.

Das gleiche gilt auch bei einem Fluid, bei dem die Ver­ schmutzung des Fluids durch Fremdstoffe eine wesentliche Rolle spielt, z. B. bei hydraulischen Kreisen. die Kurven A, B, C in Fig. 8 geben unterschiedliche Mischungsver­ hältnisse zwischen unterschiedlichen Fluids wieder.

Insbesondere bei Betrieb im Niederspannungsbereich sind die Risiken und Gefahren bei Einsatz der Meßsonde außer­ ordentlich gering. Für diese ergibt sich somit ein sehr weites Anwendungsfeld. Bei solchen Niederspannungen können ggf. auch die Isolierschichten 11 bei der Bauein­ heit nach Fig. 4 in Fortfall kommen.

Bei Temperaturen bis etwa 200°C kann die Auswerteelek­ tronik mit der Meßsonde zusammen auf ein gemeinsames Halbleiterplättchen angeordnet sein. Es ist aber auch - insb. bei höheren Temperaturen - eine externe Auswerte­ einheit möglich.

Die Messung der Abkühlgeschwindigkeit reicht in vielen Anwendungsfällen, insb. unter statischen Verhältnissen aus. Es kann aber auch vorteilhaft sein, statt dessen die Aufheizkurve der Meßsonde zu erfassen. Unter dynami­ schen Verhältnissen kann es besonders nützlich sein, sowohl die Aufheizkurve als auch die Abkühlkurve auszu­ werten (vgl. Fig. 7). Dabei ist ein periodisch inter­ mittierender Betrieb der Meßsonde besonders vorteilhaft. Die Meßsonde kann sich dabei - z. B. durch Verschiebung des Bezugspunktes sich ändernden Temperaturbereichen oder dgl. automatisch anpassen. Die Pfeile A zeigen die Richtung zunehmender Artwärme.

Wenn in einem durchströmten Volumen mehrere, nahezu punkt­ förmige Meßsonden nach einem vorbestimmten Muster ver­ teilt werden, lassen sich auch Unterschiede und deren Veränderungen erfassen, z. B. Strömungsunterschiede, wie Übergänge von laminarer in turbulente oder Abreiß­ strömungen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Sondieren des Füllstandes, des Massen­ stromes, der Fluidart, der Fluidzusammensetzung oder dergleichen in eine oder mehrere Fluids enthaltenden Behältern, Leitungen oder dgl. unter Verwendung einer Meßsonde, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßsonde in Wärmekontakt mit dem Fluid gebracht und zunächst für eine vorbestimmte begrenzte Zeitdauer als aktives Element in Form eines sich selbst aufheizenden Elementes eingeschaltet und un­ mittelbar anschließend als passives Meßelement zur Messung der Geschwindigkeit und/oder der Größe seiner durch das Fluid bedingten Abkühlung umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Meßsonde ein Heizelement in Form eines Halbleiterelementes mit volumenmäßigem Stromdurchfluß verwendet wird, das zunächst bis zu einer vorbestimmten Temperatur durch Stromdurchfluß aufgeheizt wird, die Aufheizungsgeschwindigkeit ggf. gemessen wird, die Aufheizung dann unterbrochen und das Halbleiterelement als Temperaturmeßsonde umge­ schaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Halbleiterheizwiderstand mit Volumenstromdurchfluß und ein damit integriertes und in Reihe liegendes Steuerelement, insb. mit Feld­ effekt, als Meßsonde mit integrierter Steuerung der Heizleistung verwendet wird.

4. Meßsonde zur Verwendung bei dem Verfahren nach An­ spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem zwischen einem aktiven Heizzustand und einem passiven Meßzustand - vorzugsweise periodisch - umschaltbaren elektrisch heizbaren Element besteht.

5. Meßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie aus einem Halbleitermaterial mit volumenmäßigem Stromdurchfluß besteht.

6. Meßsonde nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Halbleitermaterial mit Spannungen im Bereich zwischen dem üblichen Nieder­ spannungsbereich und dem üblichen Netzspannungsbereich auf die gewünschte Heiztemperatur aufheizbar und zur Messung der Aufheizgeschwindigkeit ausgebildet und/oder zur Messung der Abkühlgeschwindigkeit auf einen Nieder­ spannungsmeßbereich umschaltbar ist.

7. Meßsonde nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es als Halbleiterheizwider­ stand mit Volumen-Stromfluß und damit integrierter und in Reihe liegender Steuerung, insb. in Form eines Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors ausgebildet ist.

8. Meßsonde nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie als Plättchen aus Halbleiter­ material wenigstens eine ringförmige oder zwei das gleiche Potential aufweisende langgestreckte und zu­ einander parallele, eine Drain- oder Source-Elektrode einschließende Gate-Elektrode aufweist.

9. Meßsonde nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der kleinste mittlere Durchmesser oder der kleinste mittlere Abstand der Elemente der Gate-Elektrode etwa 20 Mikrometer beträgt.

10. Meßsonde nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden über etwa 1/5 bis zur Hälfte, vorzugsweise etwa über 1/4 der Plättchendicke reichen.

11. Meßsonde nach einem der Ansprüche 5 ff., dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchendicke im Bereich von 100 bis 250 Mikrometer, vorzugsweise bei etwa 160 Mikrometer bei einem Halbleitermaterial mit integrierter Steuerung und zwischen 300 und 600 Mikrometer, vorzugweise im Bereich von 400 bis 500 Mikrometer bei Ausbildung des Plättchens als einfache Halbleiterstrecke liegt.

12. Meßsonde nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement in ein Metallgehäuse fest eingekapselt ist.

13. Meßsonde nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zischen dem Halbleitermaterial und dem Metall des Gehäuses eine elektrisch isolieren­ de Schicht mit geringem Wärmedurchgangswiderstand, insb. eine Schicht aus Aluminiumnitrid vorgesehen ist.

14. Meßsonde nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anordnung so getroffen ist, daß die eingekapselte Baueinheit einen thermischen Widerstand zwischen etwa 0,1 und 0,3°C/Watt zwischen Halbleitermaterial und Metallgehäuse aufweist.

15. Meßsonde nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterele­ ment bis auf einen vorbestimmten Flächenbereich in ein Gehäuse, insb. ein Metallgehäuse fest eingekap­ selt und so angeordnet ist, daß der Flächenbereich - ggf. durch eine wärmeleitende Schutzschicht - mit dem Fluid in direktem Wärmekontakt steht.