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Robuste und kostengünstige Taupunktsensoren

25.03.2009 - (idw) Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.V. (HSG IMIT)

Die fortlaufende Optimierung technischer Prozesse, steigende Qualitätsanforderungen, sowohl an das Produkt, wie auch an den Prozess, unter Berücksichtigung der Gesichtspunkte Resourcen und Energieeinsatz, wecken einen wachsenden Bedarf an Sensoren zur Gas und Luftfeuchtemessung. Neben der Bestimmung der relativen Feuchte spielt hierbei insbesondere auch die Messung des absoluten Feuchtegehalts, sowie daraus abgeleitete Größen wie die Wasseraktivität eine entscheidende Rolle.
Messtechnisch erfassen lässt sich die absolute Feuchte vorteilhaft über den Taupunkt. Dieser wird entweder ersatzweise aus der relativen Feuchte und der Temperatur ermittelt oder er wird direkt gemessen, was vergleichsweise teure Messgeräte erfordert. Ein direkt den Taupunkt bestimmendes Messsystem mit den Attributen robust und kostengünstig könnte zahlreiche Messaufgaben ideal lösen bzw. deren Lösung erst ermöglichen.
Auf der Basis eines am HSG-IMIT entwickelten, neuartigen thermischen Messverfahrens und dessen mikrotechnische Umsetzung liegt nunmehr ein Sensorsystem vor, welches in der Lage ist, Taupunkttemperaturen robust, in einem sehr weiten Bereich zu messen, (-40°CTd bis +80°CTd).
Das grundlegende Sensorprinzip basiert auf den seit langem etablierten Kondensations-prinzip (Taupunktspiegel). Durch den neuartigen Ansatz im Detektionsverfahren und dessen mikrotechnische Umsetzung, ist es möglich einen derartigen Sensor robust und kostengünstige zu realisieren. Durch das dynamische Messverfahren wird eine hohe Langzeitstabilität erwartet. Darüber hinaus ermöglicht es Aussagen über Driftvorgänge am Sensor.
Die mikrotechnische Grundlage des Sensorssystems bildet ein am HSG-IMIT entwickelter und in Serie produzierter thermischer Membransensor, so dass auf eine langjährige Erfahrung in Entwicklung und Fertigung zurückgegriffen werden kann.
In der Applikation ergibt sich durch den großen Messbereich von ca. -40°CTd bis +80°CTd und der Möglichkeit unter Druck zu messen, ein sehr breites Spektrum an Anwendungen.
Im Mittelpunkt stehen hier insbesondere die Drucklufttechnik, die Rein-Gasanalyse, Trocknungsprozesse in all ihrer Vielfalt, sowie das Handling, die Verpackung und die Lagerung von Produkten aus den Bereichen Nahrungsmittel und Pharma.

Der thermische Taupunktsensor arbeitet mit Heizelementen und Temperatursensoren auf einer sensitiven Silizium-Nitrid-Membran. Analog zu konventionellen Taupunktspiegeln wird diese sensitive Fläche durch ein Peltierelement gekühlt. Beim Unterschreiten der Taupunkttemperatur entsteht ein Kondensat. Dieses wird aber nicht wie bei bekannten Taupunktspiegeln optisch detektiert, sondern es werden die thermischen Eigenschaften der Silizium-Nitrid-Membran genutzt. Dazu wird die Heizleistung zyklisch gepulst und das thermische Aufheizverhalten der Membran mittels der Temperatursensoren erfasst. Wird der Taupunkt unterschritten, verändert das entstehende Kondensat die Wärme-kapazität der Membran und damit das thermische Antwortsignal. Messgenauigkeiten der Taupunkttemperatur von +/- 0.3K können erreicht werden, dies entspricht der Genauigkeit konventioneller Tauspiegelhygrometer.

Detaillierte Arbeitsergebnisse zu diesem neuartigen Sensorsystem wurden veröffentlicht und sind auf Anfrage gerne erhältlich, ebenso Testmuster mit Mikroprozessorsteuerung und Anzeige.

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